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大脑有了“数字孪生兄弟”

2021-07-01 光明网 【 字体:

  数字孪生脑平台 受访者供图

  记者 张双虎

  不论你有无孪生兄弟,当初,你的大脑有了“孪生兄弟”。

  这个大脑的“孪生兄弟”叫作“数字孪生脑”(DTB)。就像人类大脑的“备份”或克隆体,迷信家不只能够用它整合种种生物脑研讨后果,还能够展现脑机理、启示类脑智能、解锁全部和脑有关的疾病。

  克日,电子科技大学生命迷信与技巧学院神经工程与神经数据团队(中国医学迷信院神经信息翻新单位)胜利确立了数字孪生脑模子,并基于该模子成长了稳态视觉引发电位呼应机制研讨。相干后果已在《神经影象》上揭橥。

  类脑智能研讨成热门

  人类大脑是21世纪最巨大的迷信研讨范畴之一。

  “作为古代神经迷信与类脑智能间的症结桥梁,以跨标准脑摹拟为代表的较量争论神经迷信技巧在协助展现脑事情机理、成长类脑智能与通用人工智能算法、开辟类脑状况较量争论芯片等方面起着至关紧张的感化。”该团队负责人、电子科技大学生命迷信与技巧学院教学尧德中告知《中国迷信报》。

  在运用较量争论神经迷信技巧成长脑迷信研讨方面,天下其余国度和构造都在紧锣密鼓地布局。

  2013年,欧盟发动为期十年的人类大脑研讨打算——人类脑打算(HBP)。该打算的焦点方针是经过较量争论机摹拟大脑,确立一套完备的天生、阐发、整合、摹拟脑数据的通用平台。人类大脑包罗约860亿个神经元,将大脑摹拟到神经元程度须要丈量它们本身和相互间的全部奇妙特征。面临云云庞大的迷信题目,较量争论机的处置惩罚本领仍旧无限,没法在现实可行时光内履行这些较量争论。在HBP的大脑摹拟子项目中,研讨者以体素/脑区为最小单位,确立全脑动力学摹拟模子——虚构脑(TVB),该平台的首要运用是脑疾病机制研讨,其典范运用场景是癫痫患者的个体化精准医治。

  2019年,谷歌公布了果蝇大脑神经元的3D模子(神经元的三维布局重修)。该神经元模子表征了果蝇大脑神经元的多少拓扑外形。在此根本上,谷歌进一步运用大数据和脑毗邻组,重构了果蝇神经元间的毗邻组。

  “这些事情都是从脑切片的3D多少重修动手,构建神经元间的多少外形和神经元间的间接毗邻状况,是以只是布局模子,尚不存在功效意思。”尧德中说,“从功效的角度讲,这些模子还不是孪生脑,但能够作为将来进一步研制DTB的布局根本。”

  海内首个孪生脑平台

  最近几年来,“数字孪生”的观点慢慢进入人们视线。

  这一观点由美国国防部提出,最后是运用数字技巧,确立实在飞机模子,并经过传感器完成与飞机实在状况完整同步,如许每次遨游飞翔后,依据布局现有环境和过往载荷,能够及时阐发评价是否须要维修、是否接受下次的使命载荷等。

  “浅显地说,数字孪生是建立在信息化平台上虚构的‘备份’或‘克隆体’。”尧德中注释说,“数字孪生脑是基于较量争论神经迷信实践、交融多模态神经影象数据确立的一种全脑标准的静态脑功效的较量争论摹拟平台。数字孪生脑基于弥散磁共振成像取得的大脑外部布局毗邻信息,作为断定模子外部毗邻的根本,再运用磁共振功效成像和脑电磁成像取得的功效信息,对模子参数举行优化。由此失掉的模子,将同时在布局和功效上类脑,是以可称之为数字孪生脑模子。”

  基于较量争论神经迷信实践,研讨职员经过交融多模态神经成像数据,引入并优化国际进步前辈的“布局—功效”迭代优化实践,确立了海内首个数字孪生脑较量争论平台,并在功效图谱条理完成了对大标准脑静态的精准摹拟。

  “该平台在确立时,引入了基于大脑功效数据的反演优化算法,是以仿真精准度更高。”电子科技大学生命迷信与技巧学院教学郭大庆对《中国迷信报》说,“这一上风使得DTB平台的运用范畴加倍遍及。除在脑疾病上的运用之外,数字孪生脑平台还将致力于连系试验范式探求脑功效与脑认知,是以在认知神经迷信、类脑智能、脑机接口等范畴有更辽阔的运用远景。”

  让人工智能迈上新台阶

  “与欧盟的虚构脑比拟,数字孪生脑模子更全面地运用了多模态神经成像数据,并采纳‘功效—布局’互束缚迭代优化的参数优化方式,在神经勾当、血氧旌旗灯号等多个模态上,完成了对高维‘时—空’脑静态信息交互与脑功效图谱的更精准摹拟。”郭大庆说。

  今朝,DTB作为海内第一家数字孪生脑模子平台,已履历了两个版本的迭代。

  “数字孪生脑模子平台撑持的脑区范围和摹拟精度均已处于国际当先行列。”该论文第一作者张鬲博士说,“同时,在脑静态模子构建进程中,DTB可撑持多种动力学模子取舍,存在整合皮层下紧张核团的本领,并基于并行加快完成了对模子的高效仿真和数据的及时展现。”

  研讨以为,大脑是由分歧功效子地区交互形成的庞大动力学体系,而脑功效是由散布于多脑区的神经收集完成的。

  尧德中引见说,经过数字孪生脑能够协助人们展现大脑的根基事情原理,是以它是毗邻神经生物学试验(微观)与生理认知行动观察(微观)的桥梁,在类脑智能、脑机接口等研讨中将施展愈来愈紧张的感化。别的,因为DTB存在整合皮层下紧张核团和布局的本领,是以“其在脑疾病的调控中比欧盟的虚构脑更具上风”。

  “DTB是生物脑的‘数字兄弟’,可与脑机接口确立合作关系。”郭大庆注释说,“脑机接口是生物脑和较量争论装备之间的信息通道,完成生物脑与装备之间的信息交流,其后果取决于对生物脑旌旗灯号的解码和反应信息的编码,此中生物脑是作为一个黑箱参加此中的,这极大地限度了脑机接口的成长。”

  借助DTB,人们能够更深入地去切磋脑机接口的编解码进程,分析现行种种脑机接口的机制并探究发明新的范式。事实上,尧德中团队正出力运用数字孪生脑技巧成长虚构脑机接口相干机制研讨。近期,他们运用数字孪生脑模子,研讨了稳态视觉引发电位(SSVEP)呼应机制,证明了α波段(8-12Hz)安慰能引发更强的SSVEP呼应,并展现了这类频次敏感特征是由非线性夹带和共振惹起的,并且能够被大脑的内源性身分调理。这些事情加深了人们对SSVEP脑机接口中的大脑事情机制的熟悉,为进一步优化SSVEP脑机接口、开辟其运用供应了紧张的实践支持。

  “实践上,在脑体系层面确立高精度数字孪生脑模子,不只能够整合种种生物脑研讨后果,还可把解剖式生物学研讨的断面脑酿成活泼的静态脑和事情脑,是以大概是展现脑机理、启示类脑智能、解锁脑疾病的绝佳道路。”尧德中教学说,“该范畴另有很大的成长空间,期望海内更多的良好团队到场数字孪生脑的确立及运用中,成长存在中国特征天下当先的全脑标准较量争论模子。信赖将来的数字孪生脑能够经过仿照人类神经体系的事情原理,成为必然意思上的通用智能体系,让人工智能迈上新的台阶,在思虑、决议上亲近于人脑。”

[义务编纂: 武玥彤 ]

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