數(shù)字孿生新探索：為大腦制作數(shù)字化副本

（CWW）數(shù)字孿生技術(shù)的核心是為真實(shí)事物打造出一份虛擬副本。如今，這項技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)、工業(yè)與航空航天等多個領(lǐng)域的支柱工具，越來越多的城市、港口和發(fā)電站等設(shè)施也有了自己的數(shù)字化分身。有行業(yè)分析師估計，全球數(shù)字孿生市場的經(jīng)濟(jì)規(guī)模到2026年將增長至近500億美元。

很快，數(shù)字孿生技術(shù)正在生物學(xué)領(lǐng)域有所建樹。2017年，時任GE Digital公司CEO的Bill Ruh就預(yù)測稱“未來的人類將在出生時就擁有自己的數(shù)字孿生，它將從人們佩戴的傳感器中獲取數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)預(yù)測人體健康狀況與病變趨勢?！睕]錯，數(shù)字孿生有望為患者提供量身定制的治療方法、預(yù)測疾病的可能發(fā)展趨勢，甚至可以用來試驗(yàn)潛在的治療手段。相較于直接在患者身上進(jìn)行風(fēng)險極高的人體測試，從數(shù)字孿生入手明顯更加穩(wěn)妥。

但到目前為止，這些項目大多處于早期探索階段。來自歐洲、英國和美國的研究人員們正通過Echoes研究計劃努力建立起第一顆數(shù)字化心臟。德國醫(yī)療器械廠商Simemns Healthineers也有類似的計劃，并與法國軟件公司Dassault Systèmes合作讓這顆“The Living Heart”通過了美國食品藥監(jiān)局的審批。奧地利公司Golem則希望為獨(dú)居弱勢群體創(chuàng)建數(shù)字孿生，借此持續(xù)監(jiān)控他們的健康狀況，并在身體不適、需要幫助時及時提醒護(hù)理人員。

這還不夠，雄心勃勃的研究人員們已經(jīng)朝著最高目標(biāo)邁進(jìn)：人腦孿生。作為歐盟資助項目，Neurotwin計劃希望為個體病患設(shè)計出一套人腦計算機(jī)模型。

Neurotwin團(tuán)隊希望將這套模型用于預(yù)測對神經(jīng)系統(tǒng)疾?。òòd癇和阿爾茨海默癥）的刺激治療效果。他們還計劃在明年發(fā)起一項臨床試驗(yàn)，嘗試為約60名阿爾茨海默癥患者創(chuàng)建數(shù)字孿生，借此探索根據(jù)每一位患者大腦完成優(yōu)化的刺激治療方案。計劃于2023年啟動的二期臨床試驗(yàn)將采取相同的基本方法，只是轉(zhuǎn)而關(guān)注更加難以治療的局灶性癲癇患者。如果成功，該團(tuán)隊打算把技術(shù)成果擴(kuò)展到人腦研究的其他領(lǐng)域，例如多發(fā)性硬化癥、中風(fēng)康復(fù)、抑郁癥與迷幻藥神經(jīng)影響等方向。

對于約三分之一的癲癇患者，現(xiàn)有治療藥物起不到任何作用。但將電流無痛傳遞至大腦的無創(chuàng)刺激療法，卻被證明有助于減輕癲癇發(fā)作的頻率和強(qiáng)度。但這項技術(shù)還很新，仍有不少改進(jìn)空間。研究人員們打造虛擬大腦也正是想要協(xié)助刺激療法進(jìn)一步完善。

Neurotwin項目協(xié)調(diào)員、西班牙健康科技初創(chuàng)公司Neuroelectrics（主要為癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病開發(fā)無創(chuàng)療法）首席科學(xué)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Giulio Ruffini表示，數(shù)字化身的本質(zhì)是一套運(yùn)行在計算機(jī)上的數(shù)學(xué)模型。為了給癲癇患者制作數(shù)字化身，Neurotwin團(tuán)隊需要收集約半小時的磁共振（MRI）數(shù)據(jù)和約10分鐘的腦電圖（EEG）計數(shù)，再使用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建出一個對應(yīng)腦電活動的計算機(jī)模型。在此基礎(chǔ)之上，他們還要高度精確地還原患者大腦的各主要組織，包括頭皮、顱骨、腦脊液、灰質(zhì)和白質(zhì)等。

Ruffini解釋道，數(shù)字孿生中還將包含一個嵌入式“神經(jīng)質(zhì)量模型”網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)反映的是患者大腦中的“連接體”（大腦中的神經(jīng)連接映射），也就是表示相互連接的各個神經(jīng)元的平均行為計算模型。一旦癲癇發(fā)作，連接體中的某些區(qū)域可能會過度興奮；而在中風(fēng)時，連接體本身可能有所改變。在創(chuàng)建出數(shù)字孿生之后，團(tuán)隊就可以用它來優(yōu)化對患者真實(shí)大腦的刺激方法。Ruffini補(bǔ)充稱，“我們可以在計算機(jī)上進(jìn)行不間斷模擬，直到發(fā)現(xiàn)我們需要的結(jié)果。從這個角度講，人腦數(shù)字孿生副本就類似于天氣預(yù)報計算模型。”

例如，為了改善癲癇治療效果，病患每天可以佩戴治療頭盔20分鐘、借此接受經(jīng)顱電刺激。使用數(shù)字孿生，Ruffini及其團(tuán)隊可以不斷優(yōu)化刺激電極的位置與所施加的電流水平。

但針對任何器官的數(shù)字孿生試驗(yàn)同樣會引發(fā)一連串倫理問題。例如，如果孿生副本預(yù)測此人會在兩周之內(nèi)心臟病發(fā)作，那么患者自己有沒有知情權(quán)？患者如果去世，孿生副本該如何處理？這些數(shù)字孿生擁有自己的法律或道德權(quán)利嗎？

德國埃爾蘭根-紐倫堡大學(xué)的倫理學(xué)家Matthias Braun認(rèn)為，虛擬孿生一方面為我們帶來了令人興奮、革命性的治療方法開發(fā)思路，“但另一方面，它也給我們帶來不少挑戰(zhàn)。首先就是數(shù)字孿生該歸誰所有？是開發(fā)孿生副本的公司嗎，還是作為孿生建模對象的病患？只有歸病患所有，他們才能明確拒絕健康保險公司或其他各方使用數(shù)字孿生中的特定信息做出某些預(yù)測，保證數(shù)字孿生的實(shí)際使用不致侵犯他們的自主權(quán)或者隱私?！倍坏┦ミ@種控制能力，就會引發(fā)Braun所說的“數(shù)字奴隸制”問題。

Neuroelectrics公司CEO Ana Maiques則表示，該公司已經(jīng)在努力解決構(gòu)建數(shù)字孿生時涉及的個人數(shù)據(jù)問題。她坦言“在進(jìn)行數(shù)字孿生的個性化設(shè)計時，有一些難題是無法回避的。數(shù)據(jù)歸誰所有？我們打算用數(shù)據(jù)做些什么？這都是很現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)?！?/p>

為此，項目還招募到研究人員剖析這項工作中的倫理與哲學(xué)問題，來自瑞典烏普薩拉大學(xué)的神經(jīng)倫理學(xué)家Manuel Guerrero就是其中之一。由于Neurotwin項目位于歐洲，所以收集的相關(guān)數(shù)據(jù)均受到《歐盟通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例》（GDPR）的保護(hù)，意味著任何數(shù)據(jù)使用行為都必須得到數(shù)據(jù)所需豬 的同意 。

Guerrero和他的團(tuán)隊還有另一項任務(wù)，就是探索“數(shù)字孿生”這個最初只是為制造業(yè)服務(wù)的概念、到底適不適合用來重現(xiàn)大腦或者心臟這樣復(fù)雜且具有生命力的對象。數(shù)字孿生技術(shù)會引發(fā)民眾誤解、或者產(chǎn)生不切實(shí)際的過高期望嗎？Guerrero指出，“同樣是制作數(shù)字孿生，人腦的復(fù)雜程度要比制造系統(tǒng)中的對象高得多，所以神經(jīng)科學(xué)界內(nèi)部也在就這個問題爭論不休?！?/p>

不單是與工業(yè)系統(tǒng)相比，即便同為人體器官，大腦的復(fù)雜程度也比心臟或者腎臟高出幾個量級，帶來的倫理難題也更多。Ruffini提到，“我們建立的是一套相當(dāng)復(fù)雜的人腦計算模型。待到發(fā)展至一定階段，我們甚至很難定義這樣的數(shù)字孿生還是不是單純的「數(shù)字孿生」、或者說它是否已經(jīng)擁有自己的知覺?！?/p>

Braun認(rèn)為這些問題雖然困難，但卻不容回避?！皩ξ襾碚f，這些都是我們當(dāng)下必須要面對的核心挑戰(zhàn)。我知道，很多人覺得應(yīng)該先把技術(shù)搞出來、有什么問題以后再看?！钡@種拖延在后續(xù)勢必會帶來可怕的倫理道德風(fēng)險。

但Neurotwin團(tuán)隊也承認(rèn)，只要處置得當(dāng)，這種數(shù)字孿生確實(shí)能夠顯著改善患者的治療效果、推進(jìn)我們對疑難腦部疾病的深入了解。Maiques總結(jié)道，“我們正努力從前所未有的角度幫助腦部疾病患者。我們認(rèn)為當(dāng)下的探索代表著一種新的治療思路，即利用物理與數(shù)學(xué)的力量完成人腦解碼。”

關(guān)鍵詞： 通信世界網(wǎng) 數(shù)字孿生