借助全球最快的超级计算机之一“富岳”（Fugaku），科学家首次构建了兼具结构与活动真实性的数字小鼠皮层——一个包含近1000万个神经元、260亿个突触、86个脑区的生物物理精确模型。 艾伦研究所与日本电气通信大学Tadashi Yamazaki团队等合作，将艾伦细胞类型数据库与连接组图谱中的实验数据，通过Brain Modeling ToolKit转化为神经元模拟器Neulite中的方程，在Fugaku上运行后，成功模拟了皮层神经元集群的实时电信号活动（尖峰发放、突触传递、膜电位波动）。该虚拟大脑可用于在“硅中”安全研究疾病进展（如阿尔茨海默病、癫痫）、神经动力学（如注意力相关脑波）以及潜在疗法，为最终构建全脑甚至人脑模型铺平了道路。
从实验数据到虚拟大脑：生物物理建模的飞跃
传统神经科学依赖动物实验、脑切片或单细胞记录，每次实验只能获得有限数据。本研究的突破在于：
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多尺度整合：将分子、细胞、突触、环路、脑区等多层级数据统一为计算模型；
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生物物理精确：每个神经元模型包含树突树、离子通道、突触受体等细节，能模拟真实电活动；
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大规模并行：利用Fugaku的158,976个节点（每个节点含多核处理器）进行并行计算，模拟数千万神经元间的交互。
模型规模与硬件能力
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神经元数量：约1000万（小鼠皮层神经元总数约1500万，覆盖主要区域）；
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突触数量：约260亿（每个神经元平均接收数千个突触输入）；
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脑区覆盖：86个皮层与皮层下区域（基于艾伦脑科学研究所连接组图谱）；
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计算量：Fugaku峰值性能达400 quadrillion（4×10¹⁷）次/秒，是迄今用于脑模拟的最大规模计算资源之一。
“这表明大门已经打开。只要有足够的计算能力，我们就能有效运行这类脑模拟，”艾伦研究所研究员Anton Arkhipov博士表示，“这是一个技术里程碑，让我们确信更大规模的模型不仅可能，而且能够以精确和规模实现。”
构建工具链：从数据到模拟
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生物数据源
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艾伦细胞类型数据库：提供小鼠皮层各区域神经元的形态、电生理与基因表达特征；
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艾伦连接组图谱：提供神经元间突触连接的概率与强度。
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模型构建
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Brain Modeling ToolKit：将上述数据转化为标准化的模型描述语言；
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Neulite：专用神经元模拟器，求解描述膜电位变化的Hodgkin-Huxley方程及突触动力学方程。
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超算执行
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Fugaku并行运行模拟，实时追踪数千万神经元的膜电位、尖峰发放与突触传递。
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应用前景：虚拟疾病与药物筛选
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疾病机制研究：在模型中“植入”阿尔茨海默病相关的突触损伤、癫痫的过度同步放电，观察病理如何扩散；
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药物虚拟测试：模拟药物作用于特定离子通道或受体后，对整个网络活动的影响，预测疗效与副作用；
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认知功能探索：研究注意力、学习、记忆等过程的网络动力学机制，不受实验伦理与动物数量的限制。
未来：从全脑到人脑
团队的下一个目标是构建小鼠全脑模型（包含更多脑区与亚皮层结构），并最终向人脑模型迈进。随着计算能力提升（如百亿亿次级E级超算）和实验数据的完善（如人脑细胞类型图谱），这一目标正从科幻走向现实。
“我们的长期目标是利用研究所揭示的所有生物细节，构建全脑模型，最终甚至构建人类模型，”Arkhipov展望道，“我们现在正从模拟单个脑区转向模拟小鼠的全脑。”
技术挑战
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计算需求：即使Fugaku，运行如此规模的模型仍需大量机时，简化模型（如降低单神经元复杂度）与硬件加速是未来方向；
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数据缺口：许多突触连接、神经元亚型的数据仍不完整，需更多实验补充；
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验证：模拟结果需与真实脑实验（如钙成像、电生理）反复比对校准。
参考信息
Reference: 本研究为SC25（全球超级计算大会）会议成果，详细论文待正式发表。相关数据与工具可参考：
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Allen Institute for Brain Science: Cell Types Database, Connectivity Atlas, Brain Modeling ToolKit;
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RIKEN & Fujitsu: Fugaku supercomputer;
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Yamazaki, T. et al. (2025). “Large-scale biophysically realistic mouse cortex simulation on Fugaku.” (即将发表于SC25会议论文集)