人腦很多時候是諸多科學實驗的倫理禁區(qū)，但是如果有一個大腦的數(shù)字拷貝副本，那么不論是想了解腦機接口設備的功效還是破解大腦的功能，都可以“隨心所欲”地進行。復旦大學馮建峰團隊日前發(fā)布數(shù)字孿生腦（Digital Twin Brain：DTB）平臺，將為腦科學家進行數(shù)字實驗，探索和驗證神經(jīng)科學理論、大腦智能機理提供支持，也將為借鑒生物智能實現(xiàn)人工智能的突破提供新的視角和方法。
團隊發(fā)布的數(shù)字孿生腦平臺是國際上首個基于數(shù)據(jù)同化方法開發(fā)的具備860億神經(jīng)元規(guī)模、百萬億突觸的全人腦尺度大腦模擬平臺。
通過平臺研究工作發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生腦在規(guī)模與結(jié)構(gòu)上越接近人類大腦，會逐漸展現(xiàn)出類似在人腦中觀測到的臨界現(xiàn)象與相似的認知功能。
該研究成果以《類腦計算模擬和探索人類大腦的靜息和任務狀態(tài)：尺度與結(jié)構(gòu)》為題，發(fā)表在《國家科學評論》（NSR）。該文將作為封面文章收錄于NSR“人類大腦計算與類腦智能”專題。
人類大腦作為自然界中最神秘、最復雜的信息處理系統(tǒng)，包含了約860億個神經(jīng)元，這些神經(jīng)元之間又有著超過100萬億個突觸連接。了解大腦的動態(tài)可塑性和巨大復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，弄清智能發(fā)生的機理，借鑒生物智能實現(xiàn)人工智能的突破一直面臨巨大挑戰(zhàn)。而通過數(shù)字孿生腦，可以為實現(xiàn)人工智能的突破提供一個全新的視角和方法。數(shù)字孿生腦平臺利用和借鑒數(shù)字孿生技術，通過逆向工程技術構(gòu)建生物大腦的數(shù)字副本，“破譯”腦在信息處理與神經(jīng)編碼原理的方式，實現(xiàn)從結(jié)構(gòu)仿腦到功能仿腦。
2023年底，美國國家科學院發(fā)布關于發(fā)展數(shù)字孿生的整本白皮書， 其中，關于數(shù)字孿生腦的研究內(nèi)容就占了1/3，提出了從人腦實驗數(shù)據(jù)結(jié)合方式來驗證和研究大腦智能的機理。歐共體也在人腦計劃結(jié)束之后啟動了EBRAIN, 并于2024年開始了一千萬歐元資助的虛擬腦孿生的項目。
馮建峰談到，“我始終認為，人腦是目前唯一通用的‘人工智能’。此次的數(shù)字孿生腦平臺構(gòu)建工作才剛剛開始第一步，為探究大腦結(jié)構(gòu)與相應高級認知功能的復雜關系提供了一個研究實例。數(shù)字化模擬真實大腦是實現(xiàn)理解大腦工作原理、啟發(fā)未來通用人工智能的有效途徑之一。我們研究中遇到的問題，都代表著模擬腦在計算硬件、系統(tǒng)以及計算方法領域的嚴峻挑戰(zhàn), 是未來長期研究的焦點�！�
自然語言大模型GPT3和GPT4的參數(shù)量在千億規(guī)模，成年人全腦860億神經(jīng)元至少有百萬億神經(jīng)突觸，如何從少量數(shù)據(jù)（比如MRI、EEG、MEG等）確定如此大規(guī)模的模型，是利用全腦模型與數(shù)據(jù)結(jié)合的難點。馮建峰團隊發(fā)展的多層數(shù)據(jù)同化方法，為大腦大模型的估計與辨識提供有效的技術手段，通過介觀尺度的統(tǒng)計，推斷具有人類大腦規(guī)模的脈沖神經(jīng)元網(wǎng)絡模型。
全腦模型具有“大規(guī)�！迸c“真實生物結(jié)構(gòu)”，通過構(gòu)建人類大腦計算模型，并將同化后數(shù)字孿生腦與實驗采集的靜息態(tài)與認知實驗任務態(tài)的BOLD數(shù)據(jù)進行比較發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生腦與真實大腦在規(guī)模尺度和連接結(jié)構(gòu)上越相似，它模擬出的數(shù)據(jù)與生物腦活動的實驗記錄在靜息狀態(tài)和任務過程的相似匹配度越高，并且越接近展現(xiàn)出臨界現(xiàn)象。而大腦處于臨界態(tài)被猜想是大腦功能相關的重要時空動力學特征。
數(shù)字腦在50億神經(jīng)元規(guī)模（相當于獼猴大腦神經(jīng)元規(guī)模）的大模型上，會逐漸展現(xiàn)出類似在人腦中觀測到的臨界現(xiàn)象與相似的認知功能。目前，團隊已經(jīng)完成了860億神經(jīng)元、總突觸47.8萬億的全腦模型的形態(tài)模擬計算。
對于數(shù)字孿生腦的應用前景，馮建峰介紹，數(shù)字孿生腦平臺可以幫助腦科學家進行數(shù)字實驗，探索和驗證神經(jīng)科學理論、大腦智能機理。如團隊利用數(shù)字孿生腦進行的數(shù)字損傷實驗時，在模型中切斷了初級視覺皮層（V1）到下游視覺途徑的連接移除會顯著降低數(shù)字腦模型與真實大腦在海馬中的相似性，發(fā)現(xiàn)對整個大腦的影響很小。數(shù)字孿生腦還可以用來開展無生物主體時的“干”實驗，研究團隊通過設計“丘腦”信息驅(qū)動與“內(nèi)感知”信息驅(qū)動的HAD實驗范式，來測試靜息狀態(tài)下腦活動反映了內(nèi)部身體狀態(tài)的假設，發(fā)現(xiàn)內(nèi)感知回路的信息驅(qū)動范式顯著增強了模型與生物大腦之間的相似性。
