艾伦·博伊尔 报道于2025年11月17日 上午11:11
这种彩色编码的小鼠皮层表征模拟了脑细胞活动。（视频来源：艾伦研究所）创建虚拟大脑听起来像科幻噩梦，但对日本和西雅图艾伦研究所的神经科学家而言，这是实现长期梦想的重大进展。
他们表示，运行在世界最快超级计算机之一上的小鼠皮层模拟，最终可能为理解阿尔茨海默病和癫痫等疾病的机制开辟道路，甚至揭开意识之谜。
艾伦研究所研究员安东·阿尔希波夫在今日新闻稿中表示：“这表明大门已敞开。这是一个技术里程碑，让我们确信更大规模的模型不仅可行，还能以精确度和规模实现。”
阿尔希波夫及其同事本周在圣路易斯举行的SC25高性能计算会议上介绍了该研究项目。该模拟对整个小鼠皮层的活动建模，涵盖近1000万个神经元通过260亿个突触连接形成的网络。
为创建此模拟，研究人员将来自艾伦细胞类型数据库和艾伦连接图谱的数据输入富岳超级计算机。该计算集群由富士通公司与日本理化学计算科学中心联合开发，运算能力超过每秒400千万亿次操作（400 petaflops）。
海量数据集通过艾伦研究所脑建模工具包转化为3D模型。名为Neulite的模拟程序使数据具象化，形成如同活体脑细胞般相互作用的虚拟神经元。
科学家在不同场景下运行该程序，包括使用全规模富岳配置模拟整个小鼠皮层的实验。
阿尔希波夫在发给GeekWire的电子邮件评论中表示：“在我们的模拟中，每个神经元被建模为相互作用的数百个区室组成的大树。也就是说，我们捕捉了每个神经元内部的部分亚细胞结构和动态。”
在全规模模拟中，模拟活体小鼠大脑1秒实时活动耗时不超过32秒。阿尔希波夫称：“对于如此规模和复杂性的系统，这一性能水平——比实时慢32倍——相当令人印象深刻。此类高度详细的模拟通常比实时慢数千倍（即使规模远小于我们的模型）。”
配备760万个核心、15.8万多计算节点、每秒可执行44.2千万亿次浮点运算的日本富岳超级计算机，在最新全球超算TOP500榜单中位列第七。（照片 © 理化学研究所）
研究人员承认，需进行更多工作才能将模拟转化为可追踪神经系统疾病进展的模型。例如，当前模型未反映大脑可塑性——即大脑自我重连的能力。
阿尔希波夫表示：“除可塑性外，缺失的具体方面包括神经调质效应，以及我们在全皮层模拟中尚未建立非常详细的感觉输入表征。要构建更优模型，我们需要比当前可用数据更多，但既然我们已拥有可运行的全皮层模拟，某些近似或假设现在即可实施和测试。”
阿尔希波夫指出，项目长期目标是模拟整个大脑而不仅是皮层。“全皮层与全脑存在区别：小鼠皮层（及其模型）包含约1000万个神经元，而完整小鼠脑约含7000万个神经元。”
人类大脑模拟将需要更大突破。仅人类皮层就包含210亿神经元，而非1000万。
好消息是，足够强大的超级计算机可能胜任此任务。阿尔希波夫表示：“我们的工作表明，更详细的大规模脑微观模拟可能比预期更早实现。结果提示，全猕猴脑模拟（如含60亿神经元的猕猴脑）可适配全规模富岳系统。”
阿尔希波夫强调，在超级计算机上创建脑模型“并不意味着该模型完整或准确”。他补充道：“我们讨论的是模拟的技术可行性，此类模拟即使达到猴脑规模现已触手可及。但要使模拟具有生物学真实性，还需大量实验数据生成和模型构建工作。”
东京电机大学的栗山凛和明·卡亚是SC25会议所呈论文的主要作者，论文题为《富岳超级计算机上基于900万生物物理神经元和260亿突触的小鼠全皮层微观级模拟》。除阿尔希波夫外，艾伦研究所作者还包括劳拉·格林、贝亚特丽兹·埃雷拉和凯尔·戴；其他作者有东京电机大学的山崎忠、井浦真里，日本兵库县信息科学与技术研究组织的吉拉尔代特·吉勒斯和寺泽朝子，山口大学的小林太郎，以及理化学计算科学中心的五十岚淳。
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