利用地球上最快的超級計算機之一的能力，科學家們創建了有史以來最全面、最逼真的動物大腦模擬之一。這種對整個小鼠皮層的數字重建為研究人員提供了一種通過在虛擬環境中重現阿爾茨海默病或癲癇等疾病來探索大腦功能的新方法。它使他們能夠追踪損傷如何通過神經迴路傳播，並研究與感知和意識相關的過程。該模擬包括近千萬個神經元、260 億個突觸和 86 個相連的大腦區域，以高分辨率捕獲結構和活動。
這一突破是由富嶽超級計算機實現的，它是日本第一台每秒能夠執行千萬億次計算的高性能係統。艾倫研究所的科學家和日本電氣通信大學的 Tadashi Yamazaki 博士與另外三個日本組織合作領導了這項工作。完整的結果將在定於 11 月中旬舉行的世界頂級超級計算會議 SC25 上發布的一篇論文中詳細介紹。
探索疾病和大腦功能的新方法
研究人員可以利用這個虛擬皮層來研究神經系統疾病是如何形成的、腦電波如何促進注意力以及癲癇發作如何通過神經網絡傳播。過去，這類問題需要真實的腦組織，只能通過個體實驗來回答。使用這個模型，科學家可以在數字空間中測試許多想法。這些模擬可以提供有關大腦疾病在症狀出現之前如何表現的早期線索，並提供評估潛在治療方法的安全方法。
“這表明大門是敞開的，”參與該項目的艾倫研究所研究員安東·阿爾希波夫博士說。 “我們可以通過足夠的計算能力有效地運行這些類型的大腦模擬。” “這是一個技術里程碑，讓我們相信更大的模型不僅是可能的，而且可以通過精度和規模實現。”
這項合作將深厚的神經科學知識與世界一流機器的處理能力結合起來。艾倫研究所使用來自艾倫細胞類型數據庫和艾倫連接圖譜的數據為虛擬大腦的生物學基礎做出了貢獻，而富嶽則承擔了創建模型所需的大量計算。
研究人員如何創建整個皮層的模擬
Fugaku 由 RIKEN 和 Fujitsu 開發，是有史以來速度最快的計算機之一，每秒可處理超過 400 萬億次運算。要了解這個數字的大小，以每秒一次的速度計算，需要超過 127 億年（大約是宇宙的年齡：138 億年）。該系統的名稱“Fugaku”指的是富士山，反映了該機器的遠程能力和卓越的性能。
“Fugaku 正在廣泛用於計算科學領域的研究，例如天文學、氣象學和藥物發現，為解決許多社會問題做出了貢獻，”山崎說。 “這次，我們使用 Fugaku 來模擬神經迴路。”
超級計算機由許多稱為節點的小型處理單元組裝而成。這些節點被組織成模塊、機架、機架，形成一個總共158,976個節點的系統，可以處理海量的數據和計算。
從生物數據到活生生的數字外殼
使用艾倫研究所的大腦建模工具包，該團隊將生物數據轉化為大腦皮層的有效數字重建。為了模擬實時神經行為，一種名為 Neulite 的工具將數學方程轉化為虛擬神經元，這些神經元可以像真實神經元一樣發出信號、發出信號和進行通信。
觀看模擬就像觀察實時大腦活動一樣。該模型再現了神經元結構、突觸活動和跨細胞膜電信號的精確細節。 “這是一項技術成就，但這只是第一步，”山崎說。 “上帝存在於細節中，所以我相信上帝存在於詳細的生物物理模型中。”
阿爾希波夫說：“我們的長期目標是利用我們研究所發現的所有生物學細節建立全腦模型，最終甚至是人類模型。” “我們現在正從模擬單個大腦區域轉向模擬整個小鼠大腦。”有瞭如此強大的計算系統，完整的、生物學上準確的大腦模型就有可能從概念變為現實。科學家正在進入一個新時代，了解大腦也意味著能夠構建大腦。
這項前沿研究是由包括 Laura Green 博士在內的國際團隊促成的。比阿特麗斯·埃雷拉博士；凱爾·戴，學士；栗山仁，MA；加亞晃博士
