复制大脑虚拟副本，数字孪生将为人类更好地预测和治疗有关疾病

相信很多人都听说过“数字孪生”。在过去几年，这个词的热度不断攀升。

数字孪生：虚拟表示现实世界的技术已经成为制造业、工业和航空航天的支柱，让每一个城市、港口和发电站都有数字化的替身。NASA 研究员 John Vickers于 2010 年在一份关于该机构技术路线图的报告中首次引入了该术语，行业分析师估计，到 2026 年 ，数字孪生市场可能达到近500 亿美元。

没过多久，这个技术就应用到生物医疗领域。2016 年，时任 GE Digital 首席执行官的比尔·鲁 (Bill Ruh)预测：“我们将在出生时可以拥有一个数字化的替身，它将从每个人正在运行的传感器中获取数据，而该数字替身将为我们预测有关疾病、癌症和其他事情。” 数字孪生可以为患者提供量身定制的治疗方案，并预测他们的疾病可能如何发展。它甚至可以用来试验潜在的治疗方法，而不是在患者身上进行测试（毕竟这个过程风险比较高）。

到目前为止，这些项目大多处于早期阶段。一个名为Echoes的研究计划拥有欧洲、英国和美国的研究团队正在努力构建数字心脏。德国医疗器械公司 Siemens Healthineers 也计划类似的研究。法国软件公司 Dassault Systèmes 与美国食品和药物管理局合作批准了它所谓的“ The Living Heart ”。奥地利公司 Golem 正在为独居的弱势群体创建数字孪生。这个想法是通过数字替身持续监控他们的健康状况，如果他们生病并需要帮助，就会提醒护理人员。

现在研究人员正在朝着最崇高的目标迈进：数字孪生大脑。Neurotwin是一个欧盟资助的项目，目标是设计一个个体患者大脑的计算机模型。

Neurotwin 团队希望该模型可用于预测刺激治疗神经系统疾病的效果，包括癫痫和阿尔茨海默病。他们计划将于明年开始一项临床试验，为大约 60 名阿尔茨海默病患者创建数字替身，这些患者将接受专门针对他们的大脑进行优化的大脑刺激治疗方案。计划于 2023 年进行的第二项临床试验（同样的试验），但针对的是难治性局灶性癫痫患者。两者都是概念验证试验，以确定该方法是否有效并可以改善这些患者的治疗结果。如果成功，该团队计划将他们的技术扩展到研究大脑的其他方面，如多发性硬化症、中风康复、抑郁症和迷幻药影响的那些方面。

对于大约三分之一的癫痫患者，药物无济于事。而无创刺激，其电流无痛地传递到大脑，已被证明有助于减轻癫痫发作的频率和强度。但这项技术仍然很新，需要一些改进。这就是证明虚拟大脑可以有用的地方。

Neurotwin 项目协调员、西班牙健康科技初创公司 Neuroelectrics 的首席科学官兼联合创始人 Giulio Ruffini 表示，数字化身本质上是在计算机上运行的数学模型，该公司正在开发针对癫痫等神经系统疾病的无创疗法。为了为癫痫患者制作数字替身，Neurotwin 团队需要大约半小时的 MRI 数据和大约 10 分钟的 EEG（脑电图）读数，并使用这些数据创建一个捕获大脑电活动的计算机模型，以及逼真地模拟大脑的主要组织，包括头皮、颅骨、脑脊液以及灰质和白质。

 Giulio Ruffini 表示数字替身将拥有一个嵌入式“神经质量模型”网络，这些基本上是使用患者的“连接组”（大脑中的神经连接图）相互连接的许多神经元的平均行为的计算模型。在癫痫的情况下，连接组的某些区域可能会过度兴奋；在中风的情况下，连接组可能会改变。一旦创建了数字替身，团队就可以使用它来优化对真实患者大脑的刺激，“因为我们可以在计算机上进行无休止的模拟，直到找到我们需要的东西，” Giulio Ruffini表示从这个意义上说，它就像一个天气预报计算模型。

除了可能在伦理上更复杂之外，对大脑进行建模比对心脏或肾脏进行建模要复杂许多数量级。我们正在创建相当复杂的大脑计算模型。

德国埃尔兰根-纽伦堡大学的伦理学家马蒂亚斯·布劳恩（Matthias Braun）表示是时候考虑这些棘手的问题了。“对我来说，这些都是我们现在必须面对的非常重要的挑战，”他说。“我们知道如果你只是说，‘好吧，只要开发一种技术——然后我们会看到，’”他补充说，并警告将伦理和道德后果推迟到以后会带来的危险。

但 Neurotwin 团队表示，如果做得好，这种数字孪生可以显着改善患者的预后以及我们对难以治疗的脑部疾病的了解。“我们正在努力从完全不同的角度真正帮助患有脑部疾病的人，”Maiques 说。“我们喜欢把它称为一种新的治疗方法，你真的在​​利用物理和数学的力量来解码大脑。”

例如，为了改善癫痫患者的治疗，该人每天会戴上头帽 20 分钟，因为它会向他们的大脑提供经颅电刺激。使用数字替身，Ruffini 和他的团队可以优化刺激电极的位置，以及所施加的电流水平。

任何器官的数字孪生都会引发一系列伦理问题。例如，如果他们的数字替身预测他们将在两周内心脏病发作，患者是否有权知道或不知道？病人死后双胞胎会怎样？它会拥有自己的法律或道德权利吗？

Matthias Braun说，一方面，虚拟替身为我们提供了令人兴奋的、革命性的途径来开发新的治疗方法。在医疗保健中使用数字孪生所涉及的道德规范。“但另一方面，它也给我们带来了挑战，”他继续说道。一方面，谁应该拥有数字孪生？公司建设吗？“或者你有权说，好吧，我拒绝使用关于我的健康保险或其他情况下使用的特定信息或特定预测？为了不侵犯自主权或隐私，这个特定的人必须控制[他们的数字孪生]的使用，”失去这种控制将导致Matthias Braun说的所谓“数字奴隶制”。

Neuroelectrics 的首席执行官 Ana Maiques 表示，该公司已经在努力解决构建数字孪生所依赖的极其个人数据的问题。“当您进行此类个性化时，您必须提出一些棘手的问题，对吗？谁将拥有这些数据？你打算用数据做什么？” 。

该项目招募了研究人员来剖析这项工作的伦理和哲学组成部分，其中包括瑞典乌普萨拉大学的神经伦理学家 Manuel Guerrero。对于总部位于欧洲的项目 Neurotwin，收集的数据将受到欧盟通用数据保护条例 (GDPR) 的保护，这意味着对数据的任何使用都需要其所有者的同意。

Manuel Guerrero和他的团队也在探索“数字孪生”这个最初是为制造业创造的技术，是否仍然是最适合复制像活的大脑或心脏这样复杂而充满活力的东西的技术。它的使用会导致社会误解或过渡预期吗？

大脑比来自制造系统的其他类型的数字替身要复杂得多，因此在神经科学界，大脑替身的概念依然还在在争论中。

编辑：王洪