科学家以亚细胞分辨率对整个小鼠皮层神经元进行了生物物理模拟。图片来源：Barry Isralewitz

本报讯 借助全球运算速度最快的超级计算机，科学家打造出迄今最全面且在生物学上最真实的动物大脑模型。相关研究成果在近日举行的2025年全球超级计算大会（SC25）上发布。

这一小鼠全皮层数字重建模型为研究人员探索大脑功能提供了新途径，可在虚拟环境中复现阿尔茨海默病或癫痫等疾病状态，追踪神经回路中的损伤传播路径，并深入研究认知与意识等相关过程。该模型包含近1000万个神经元、260亿个突触及86个相互连接的脑区，能以高分辨率捕捉大脑的结构与活动特征。

美国艾伦研究所、日本电气通信大学与另外3家日本机构合作开展了这项研究。研究人员可利用这一虚拟皮层，研究神经系统疾病的发病机制、脑电波对注意力的影响，以及癫痫发作在神经网络中的传播路径。

过去，研究这类问题需要借助真实脑组织，且只能通过个体实验逐一验证。而现在，借助该模型，科学家能够在数字空间中同时测试多种假设。这些模拟不仅在症状出现前为脑部疾病的早期发病迹象提供线索，还为评估潜在疗法提供了安全的测试平台。

“这表明大门已经敞开。只要具备足够的计算能力，我们就能高效运行这类大脑模拟系统。”参与该项目的艾伦研究所的Anton Arkhipov表示，“这是一个技术里程碑，让我们相信，构建更大规模的模型不仅可行，而且能够实现精度与规模的统一。”

这项合作研究融合了深厚的神经科学知识与世界级超级计算机的运算能力。艾伦研究所利用细胞类型数据库和连接图谱的数据，为虚拟大脑奠定了生物学基础；而日本顶级高性能计算机“富岳”则承担了生成该模型所需的海量计算任务。

“富岳”由日本理化学研究所与日本富士通公司联合研发，是全球运算速度最快的计算机之一，每秒可处理超过400千万亿次运算。如果以每秒一次的速度进行运算，需要127亿年才能完成这一规模的运算，接近宇宙年龄138亿年。

“‘富岳’广泛应用于天文学、气象学、药物研发等多个计算科学领域，为解决诸多社会问题提供支持。”电气通信大学的Tadashi Yamazaki表示，“而这次，我们将其应用于神经回路模拟研究。”

该超级计算机由多个名为“节点”的小型处理单元组成。这些节点通过单元、机架和机柜进行组装，最终形成一个包含158976个节点的庞大系统，能够处理海量数据与复杂计算任务。

研究团队利用艾伦研究所开发的大脑建模工具包，将生物数据转化为功能完备的皮层数字重建模型。为模拟活体神经元的行为，一款名为Neulite的工具将数学方程转化为虚拟神经元，后者能够像真实神经元一样产生脉冲、传递信号并进行通信。

观察该模拟过程，类似于观测活体大脑的活动。该模型再现了神经元结构、突触活动及细胞膜电信号传导的细节。“这是一项技术壮举，但仅仅是第一步。”Yamazaki表示，“细节决定成败，因此我认为生物物理层面的精细化模型至关重要。”

“我们的长期目标是利用研究所发现的所有生物学细节构建全脑模型，甚至是人类大脑模型。”Arkhipov表示，“我们目前正从单个脑区建模向小鼠全脑模拟迈进。”（王方）