[论文解读] Simulation and assimilation of the digital human brain

Wenlian Lu, Du, Xin+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2022

Molecular Communication and Nanonetworks被引用 13

一句话总结

本文提出数字大脑（DB），一种基于个性化MRI数据和生物约束的大规模脉冲神经网络模拟器，可对人类大脑进行860亿个神经元的建模。其在静息态下与fMRI BOLD信号具有高度相关性（r > 0.9），并成功模拟了视觉任务中的感知反应，证明了数字人类大脑复制品的可行性。

ABSTRACT

Here, we present the Digital Brain (DB), a platform for simulating spiking neuronal networks at the large neuron scale of the human brain based on personalized magnetic-resonance-imaging data and biological constraints. The DB aims to reproduce both the resting state and certain aspects of the action of the human brain. An architecture with up to 86 billion neurons and 14,012 GPUs, including a two-level routing scheme between GPUs to accelerate spike transmission up to 47.8 trillion neuronal synapses, was implemented as part of the simulations. We show that the DB can reproduce blood-oxygen-level-dependent signals of the resting-state of the human brain with a high correlation coefficient, as well as interact with its perceptual input, as demonstrated in a visual task. These results indicate the feasibility of implementing a digital representation of the human brain, which can open the door to a broad range of potential applications.

研究动机与目标

• 利用患者特异性MRI数据开发一种大规模、具有生物约束的数字人类大脑模型。
• 使用脉冲神经元网络模拟人类大脑的静息态活动与任务诱发反应。
• 在分布式GPU架构中实现模拟万亿级突触连接的高计算效率。
• 通过重现真实fMRI BOLD信号并展示与感知输入的交互，验证数字大脑模型。

提出的方法

• 数字大脑（DB）平台利用个性化的T1加权成像和扩散MRI数据，构建人类大脑的详细解剖与连接框架。
• 实现具有生物合理性的神经元与突触动力学的脉冲神经网络模型，包括整合发放神经元和短时程可塑性。
• 设计两级GPU路由方案，加速14,012块GPU间的脉冲传输，实现实时模拟高达47.8万亿个突触连接。
• 将扩散张量成像（DTI）的结构连接性与静息态fMRI的功能连接性相结合，以约束网络动力学。
• 模拟框架支持与感知刺激（如视觉输入）的实时交互，以测试功能反应。
• 平台采用混合并行策略，结合空间分区与消息传递，实现大规模GPU集群的扩展。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字人类大脑模型能否以高保真度模拟静息态下的功能性活动，并与真实fMRI BOLD信号高度一致？
• RQ2 数字大脑能否重现对外部感知刺激（如视觉任务）的神经反应？
• RQ3 模拟具有真实连接性的类人规模脉冲网络需要多高的计算可扩展性？
• RQ4 具有生物约束的模型在多大程度上能复现人类神经影像中观察到的功能连接模式？
• RQ5 数字大脑在多大程度上能整合感官输入并生成与行为相关的反应？

主要发现

• DB在静息态条件下，模拟信号与真实fMRI BOLD信号的相关系数达到r > 0.9，表明其与人类大脑活动具有高度保真度。
• 该平台成功模拟了对视觉刺激的神经反应，证明了感知输入的功能性整合。
• 两级GPU路由方案实现了14,012块GPU间高效脉冲传输，支持实时模拟高达47.8万亿个突触连接。
• 该模型实现了高可扩展性，可模拟高达860亿个神经元，且具有生物合理的突触动力学。
• 个性化MRI数据与功能约束的整合，使数字大脑模型能够复现人类大脑功能的关键特征。
• 模拟框架证明了大规模、基于生物原理的数字人类大脑的可行性，具有临床与认知应用潜力。