陳根：國內首個數字孿生腦計算平台，走向數字孿生未來_風聞

文/陳根

看過電影《鋼鐵俠》的人一定不會忘記其中一個經典畫面：託尼·史塔克在設計、改進和修理鋼鐵俠戰衣的時候，並不是在圖紙或實物上進行操作，而是通過一個虛擬的影像映射場景來輔助實現，這個可視化、智能化、數字化的映射場景就是數字孿生（Digital Twin）。

按照美國航空航天局（NASA）給出的權威解釋，數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命週期過程。

通俗來説，數字孿生就是將現實世界的物理體或者系統以及流程等複製到虛擬空間，生成一個“克隆體”，二者最終組成一個“數字雙胞胎”。

大腦是由不同功能子區域交互構成的複雜動力系統，分佈於多腦區的神經網絡可以實現腦功能。通過建模和仿真揭示大腦的基本工作原理，可以有效連接神經生物學的行為與認知，在探究腦功能機制中佔據重要地位。

在此基礎上，科學家們****通過融合多模態神經成像數據，引入並優化國際先進的“結構-功能”迭代優化理論，建立了國內首個數字孿生腦計算平台（Digital twin brain，DTB），在功能圖譜層次實現了對大尺度腦動態的精準模擬，並基於該模型開展了穩態視覺誘發電位響應機制（stable steady-state visual evoked potentials, SSVEPs）研究。

有關SSVEP的實驗表明，**週期性視覺刺激可誘發分佈於大腦多個區域的SSVEPs，由於該信號具有高信噪比、頻譜穩定、識別率高等特點，被廣泛應用於腦機接口、腦認知和腦疾病領域。**然而，目前SSVEP在全腦層次的動力學機制尚未被完全理解。

但在該項工作中，研究人員揭示了****DTB能夠同時再現實驗中觀察到的SSVEP響應與空間分佈特徵，特別是α波段(8-12Hz)刺激能激發最強的SSVEP響應，而這種頻率敏感特性是由非線性夾帶和共振引起的，並且可以被大腦的內源性因素調節。

有趣的是，刺激誘發的大腦網絡在這個敏感頻率範圍附近的拓撲性質也展現出顯著的優勢，即強的SSVEP反應是由神經活動水平上有效的功能連接導致的。

**在腦系統層面建立高精度的數字孿生腦模型，不僅可以整合各類生物腦研究結果，還可把解剖式生物學研究的斷面腦變成生動的動態腦和工作腦。**未來，DTB有望在腦機接口、注意機制、自閉症和癲癇腦疾病調控等方面的研究中發揮重要作用。