看過電影《鋼鐵俠》的人一定不會(huì)忘記其中一個(gè)經(jīng)典畫面：托尼·史塔克在設(shè)計(jì)、改進(jìn)和修理鋼鐵俠戰(zhàn)衣的時(shí)候，并不是在圖紙或?qū)嵨锷线M(jìn)行操作，而是通過一個(gè)虛擬的影像映射場景來輔助實(shí)現(xiàn)，這個(gè)可視化、智能化、數(shù)字化的映射場景就是數(shù)字孿生（Digital Twin）。
按照美國航空航天局（NASA）給出的權(quán)威解釋，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。
通俗來說，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實(shí)世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復(fù)制到虛擬空間，生成一個(gè)“克隆體”，二者最終組成一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”。
大腦是由不同功能子區(qū)域交互構(gòu)成的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，分布于多腦區(qū)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)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(jīng)生物學(xué)的行為與認(rèn)知，在探究腦功能機(jī)制中占據(jù)重要地位。
在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們通過融合多模態(tài)神經(jīng)成像數(shù)據(jù)，引入并優(yōu)化國際先進(jìn)的“結(jié)構(gòu)-功能”迭代優(yōu)化理論，建立了國內(nèi)首個(gè)數(shù)字孿生腦計(jì)算平臺(tái)（Digital twin brain，DTB），在功能圖譜層次實(shí)現(xiàn)了對(duì)大尺度腦動(dòng)態(tài)的精準(zhǔn)模擬，并基于該模型開展了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位響應(yīng)機(jī)制（stable steady-state visual evoked potentials,SSVEPs）研究。
有關(guān)SSVEP的實(shí)驗(yàn)表明，周期性視覺刺激可誘發(fā)分布于大腦多個(gè)區(qū)域的SSVEPs，由于該信號(hào)具有高信噪比、頻譜穩(wěn)定、識(shí)別率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于腦機(jī)接口、腦認(rèn)知和腦疾病領(lǐng)域。然而，目前SSVEP在全腦層次的動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚未被完全理解。
但在該項(xiàng)工作中，研究人員揭示了DTB能夠同時(shí)再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀察到的SSVEP響應(yīng)與空間分布特征，特別是α波段(8-12Hz)刺激能激發(fā)最強(qiáng)的SSVEP響應(yīng)，而這種頻率敏感特性是由非線性夾帶和共振引起的，并且可以被大腦的內(nèi)源性因素調(diào)節(jié)。
有趣的是，刺激誘發(fā)的大腦網(wǎng)絡(luò)在這個(gè)敏感頻率范圍附近的拓?fù)湫再|(zhì)也展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，即強(qiáng)的SSVEP反應(yīng)是由神經(jīng)活動(dòng)水平上有效的功能連接導(dǎo)致的。
在腦系統(tǒng)層面建立高精度的數(shù)字孿生腦模型，不僅可以整合各類生物腦研究結(jié)果，還可把解剖式生物學(xué)研究的斷面腦變成生動(dòng)的動(dòng)態(tài)腦和工作腦。未來，DTB有望在腦機(jī)接口、注意機(jī)制、自閉癥和癲癇腦疾病調(diào)控等方面的研究中發(fā)揮重要作用。
