超级计算机打造迄今最逼真的虚拟大脑

科学家首次实现高分辨率鼠大脑皮层全模拟，助力探索脑科学前沿

2025年11月18日——全球领先的大脑研究机构艾伦研究所（Allen Institute）与日本电气通讯大学的Tadashi Yamazaki博士，以及其他三家日本研究机构，通过结合全球最强计算能力的日本“富岳”超级计算机（Fugaku）与海量生物数据，共同打造了迄今为止最详细的虚拟鼠大脑皮层模拟。在这一突破性项目中，数字化的大脑呈现出类似活体系统的行为特征，重现了数百万神经元与数百亿突触的运作机制，为神经疾病的研究以及脑功能的探索开辟了崭新的路径。

这款虚拟鼠大脑皮层是当前最先进的生物物理学详细模型之一。数字模型由总计约1000万个神经元和260亿突触组成，覆盖了86个相互连接的大脑区域。该模型的精确性甚至涵盖了细胞膜电信号的波动以及突触活动，为研究人员首次提供了以微观细节观察大脑复杂活动的机会。

“我們正在進入一個全新的研究領域。”參與這項研究的艾倫研究所科學家Anton Arkhipov博士表示：“我們能夠借助強大的計算能力，運行如此詳細的腦模擬，不僅向更大規模的腦模型邁進提供了可能性，也提升了精確模擬的科學可信度。”

这一虚拟皮层为探索阿尔茨海默症、癫痫等神经系统疾病提供了全新手段。在过去，研究这些疾病往往需要依赖真实脑组织进行大量实验。然而，基于这款模型，科学家可以在数字环境中模拟病变发展情况，追踪神经回路中损伤的传播路径，并探究与认知、意识等相关的生理过程。此外，该平台还为预警疾病早期病变及安全测试潜在疗法提供了一条更为高效的路径。

“这一成果无疑是一颗信心之石，它证明我们完全可以在更大规模的计算环境中实现更加精确的脑科学模拟。” Anton Arkhipov博士发言称。

项目的成功得益于“富岳”超算系统的卓越运算能力。作为全球运算速度最快的超级计算机之一，“富岳”每秒可完成超过400千万亿次运算。这一卓越能力得以将艾伦研究所收集的大脑生物数据通过大规模建模工具包（Allen Brain Modeling Toolkit）转化为功能性虚拟大脑。“富岳”的命名来源于日本的象征富士山，象征其性能如山岳般宏大。

山崎博士解释到：“‘富岳’被广泛应用于天文学、气象学、药物研发等计算科学领域，为解决社会挑战发挥了重要作用。在此次研究中，我们将这台超级计算机用于神经回路模拟，通过分解计算任务到15.8万个节点，每秒完成海量数据处理，使得模型的构建成为可能。”

利用虚拟鼠大脑，研究人员成功重现了休息状态下的自发性神经活动，并通过视觉化手段高精度监测脑电活动的变化。模型不仅在构造结构上还原了神经元的树状形态，还有力地展示了细胞器电活动和信号传递的动态过程，使观测效果近乎于“活体实验”。项目参与者Kaaya Akira博士指出：“细节决定成败。我们相信，通过不断融入最新的生物数据，完整人脑模型将从理论走向现实。”

从长远来看，随着技术的进一步突破以及计算能力的提升，科学家希望能够从单一脑区模拟迈向整脑结构的数字化建模。这将为理解大脑运行机制，甚至实现数字化复现人类思维，打造全新人机交互模式，奠定坚实的科学基础。

本次重大研究成果汇集了国际多学科领域的合作力量，包括艾伦研究所的多位研究员如Laura Green博士、Beatriz Herrera博士、日本学者Kaaya Akira博士及Yamazaki博士等多位科学家。据悉，完整研究成果将在11月即将召开的全球顶级超级计算会议SC25上进行详细发布。这标志着脑科学正在借助超级计算技术逐步向全面量化与精准解析大脑的新时代迈进，为理解认知奥秘与解决脑部疾病难题带来了前所未有的机会。