数字孪生—为你的大脑制作虚拟副本
致力于数字孪生体技术的研究与发展
通过解决方案和工程化应用造福人类
来源：神经现实
作者：Grace Browne
数字孪生指的是真实事物的虚拟表征，它在制造业、工业和航空航天领域中发挥着重要作用——城市、港口和发电站都要应用到数据分身。在2010年，美国国家航空航天局（NASA）的研究员约翰·维克斯（John Vickers）在一份有关机构技术路线图的报告中首次提出了“数字孪生”这个概念。工业分析师估计，到2026年，数字孪生市场将达到500亿美元。
这些点子很快悄悄渗入了生物学领域。2016年，时任GE Digital首席执行官的比尔·鲁赫（Bill Ruh）曾预言到，“未来，我们在出生那一刻起就会拥有自己的数字孪生，它将从每个人身上运行的传感器中获取数据，预测我们日后可能患上疾病、癌症等的概率。”数字孪生可以为患者提供量身定做的治疗方案、预测他们的疾病会如何发展。它甚至可以用来测试潜在的治疗方案，消除通过患者本身进行测试所带来的风险。
目前为止，这些项目大多数还处在初期阶段。欧洲、英国和美国的研究者参与了一项名叫Echoes（ Enhancing Cardiac care tHrOugh Extensive Sensing）的研究项目，致力于建立数字心脏。德国医疗设备公司，西门子医疗系统公司（Siemens Healthineers）也在进行相同的工作。法国软件公司，达索系统（Dassault Systèmes）与美国食品与药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）合作，批准了他们的“活心脏”（The Living Heart）项目。奥地利公司戈伦（Golem）正在为独居的弱势群体创造数字孪生，从而持续监测他们的健康状况。在使用者生病需要帮助时，数字孪生就会向护理人员发出警报。
现在，研究者正在努力实现一个最为远大的目标：孪生大脑。Neurotwin（神经孪生）是一项由欧盟资助的项目，它希望构建出患者个体的全脑计算模型。
Neurotwin团队希望这一模型能够用来预测（大脑）刺 激对癫痫、阿尔兹海默症等神经疾病的治疗效果。他们正在计划一项从明年开始进行的临床试验，为约60名阿尔兹海默症患者创造数字孪生，这些患者将会接受为其大脑量身定制的脑刺 激治疗。计划于2023年进行的第二项临床试验将针对较难治愈的局灶性癫痫患者进行相同的工作。两项概念验证试验将确认该方法是否有效、能否改善这些患者的治疗效果。成功的话，研究团队计划将他们的技术扩展到研究大脑的其他方面，例如多发性硬化症、中风康复、抑郁和迷 幻 药影响的相关方面。
对于约三分之一的癫痫患者而言，药物治疗并没有作用。非侵入性刺 激，即通过电流无痛刺 激大脑，已被证明有助于减轻癫痫发作的频率和强度。但这项技术还很新，需要进一步改进。虚拟大脑可能在此有用武之地。
Neurotwin项目协调员、Neuroelectrics*首席科学官兼联合创始人朱利奥·鲁菲尼（Giulio Ruffini）表示，这个数字化身本质上是一个在计算机上运行的数字模型。举个例子，为癫痫患者创造数字副本，Neurotwin团队需要约半小时的核磁共振（MRI）数据和约十分钟的脑电（EEG）数据，从而创建一个能够体现大脑脑电活动的计算机模型。此外，他们还需要实际模拟大脑主要组织的情况，包括头皮、头骨、脑脊液、灰质和白质。
鲁菲尼说，这个孪生模型将会包含一个嵌入式的“神经元群模型”（neural mass models）网络**。他说，这是利用患者的“连接组”（connectome），即大脑中的神经连接图谱，形成关于大量相互连接的神经元的平均行为的计算模型。在癫痫患者中，连接组的一些区域可能会过度兴奋；而在中风患者中，连接组可能会发生改变。一旦孪生模型被创造出来，团队就可以利用它来优化对患者大脑进行的真实刺 激，“我们可以在计算机上运行无尽的模拟，直到找到我们需要的。”鲁菲尼说，“从这个意义上来说，它就像个天气预报的计算模型。”
*译者注
*Neuroelectrics是一家西班牙的医疗科技新兴公司，正在开发针对癫痫等神经疾病的非侵入性治疗方案。
**neural mass models是一种用来模拟大量神经元和突触的粗粒度活动的低维模型。
例如，为了改善癫痫患者的治疗，患者需要每天佩戴20分钟帽子，通过帽子对患者进行经颅电刺 激。利用数字孪生，鲁菲尼和他的团队可以优化刺 激电极的位置以及施加的电流大小。
任何器官的数字孪生都会引发一系列的伦理问题。例如，如果患者的数字孪生预测他们将在两周内心脏病发作，患者是否有权知道或有权避免知道？在患者死亡后，这些孪生会如何？它会拥有自己的法律或道德权利吗？
专注于医疗保健中使用数字孪生所涉及伦理问题的文章作者，德国埃尔朗根-纽伦堡大学（University of Erlangen-Nürnberg）的伦理学家马蒂亚斯·布劳恩（Matthias Braun）表示，一方面，虚拟替身为新疗法的开发提供了令人兴奋的、革命性的途径。而他接着说道，“但另一方面，这也给我们带来了挑战。”首先，谁应该拥有这个数字孪生？创造它的公司吗？“你是否有权说，嗯，我拒绝健康保险公司或其他组织使用这些信息，或利用这些信息拟合的模型进行预测？为了不侵犯自主 权或隐私，重要的是让主体对数字孪生的使用有控制权。“对其失去控制，会导致布劳恩所说的‘数字奴役’（digital slavery）”*。
*译者注
Braun, M. (2021). Represent me: please! towards an ethics of digital twins in medicine. Journal of Medical Ethics, 47(6), 394-400.
Neuroelectrics首席执行官安娜·麦奎思（Ana Maiques）表示，公司正在努力解决数字孪生所采集的个人数据可能会带来的问题。“当你在进行这种个性化项目时，你会不得不问一些困难的问题。谁将拥有这些数据？你将如何处理数据？”她说道。
这一项目已经招募了研究者来剖析这一尝试的道德和哲学问题，其中就包括瑞典乌普萨拉大学（University of Uppsala）的神经伦理学家曼努埃尔·格雷罗（Manuel Guerrero）。对位于欧洲的Neurotwin项目来说，所收集的数据将会受到欧盟通用数据保护条例（European Union’s General Data Protection Regulation [GDPR]）的保护。格雷罗说，这意味着对数据的任何使用都需要得到数据所有者的同意。
格雷罗和他的团队还在探索，“数字孪生”这一最初为制造业创造的术语，是否是复杂、动态器官（如活的大脑或心脏）副本的最恰当术语。这一术语的使用是否会导致社会上的误解或过高的期待？他说，“相较于其他类型的孪生模型，大脑数字孪生的制造要复杂得多，所以大脑孪生的概念在神经科学界一直存在争议。”
对大脑的建模比心脏或肾脏的要复杂很多个数量级，并且在伦理上也更加复杂。鲁菲尼说，“我们正在创造相当复杂的大脑计算模型。在某个阶段，我认为数字孪生到底在多大程度上是一个数字孪生，抑或是一个有知觉的生物，这一点将变得模糊。”
布劳恩认为是时候解决这些棘手的问题了。他说，“对我而言，这些确实是我们现在必须面对的重要挑战。”他警告了推迟面对伦理和道德后果可能带来的危险，“如果你只是说‘好吧，只是开发一项技术而已，让我们拭目以待吧’，你知道这将会带来什么。”
但Neurotwin团队表示，如果顺利地进行，这种数字孪生可以显著改善患者预后以及我们对这些棘手的大脑疾病的了解。麦奎思说，“我们正在努力从一个完全不同的角度帮助大脑疾病患者。我们想要称它为一个新类别的疗法，通过这个疗法，我们正在尝试通过物理学和数学的力量解码大脑。”
作者：Grace Browne | 翻译：苏打美式 | 校对：杜彧
编辑：山鸡 | 排版：平原 | 封面：虫
原文：https://www.wired.com/story/the-quest-to-make-a-digital-replica-of-your-brain/
