数字孪生新探索：为大脑制作数字化副本

数字孪生技术的核心是为真实事物打造出一份虚拟副本。如今，这项技术已经成为制造业、工业与航空航天等多个领域的支柱工具，越来越多的城市、港口和发电站等设施也有了自己的数字化分身。有行业分析师估计，全球数字孪生市场的经济规模到2026年将增长至近500亿美元。

很快，数字孪生技术正在生物学领域有所建树。2017年，时任GE Digital公司CEO的Bill Ruh就预测称“未来的人类将在出生时就拥有自己的数字孪生，它将从人们佩戴的传感器中获取数据，负责预测人体健康状况与病变趋势。”没错，数字孪生有望为患者提供量身定制的治疗方法、预测疾病的可能发展趋势，甚至可以用来试验潜在的治疗手段。相较于直接在患者身上进行风险极高的人体测试，从数字孪生入手明显更加稳妥。

但到目前为止，这些项目大多处于早期探索阶段。来自欧洲、英国和美国的研究人员们正通过Echoes研究计划努力建立起第一颗数字化心脏。德国医疗器械厂商Simemns Healthineers也有类似的计划，并与法国软件公司Dassault Systèmes合作让这颗“The Living Heart”通过了美国食品药监局的审批。奥地利公司Golem则希望为独居弱势群体创建数字孪生，借此持续监控他们的健康状况，并在身体不适、需要帮助时及时提醒护理人员。

这还不够，雄心勃勃的研究人员们已经朝着最高目标迈进：人脑孪生。作为欧盟资助项目，Neurotwin计划希望为个体病患设计出一套人脑计算机模型。

Neurotwin团队希望将这套模型用于预测对神经系统疾病（包括癫痫和阿尔茨海默症）的刺激治疗效果。他们还计划在明年发起一项临床试验，尝试为约60名阿尔茨海默症患者创建数字孪生，借此探索根据每一位患者大脑完成优化的刺激治疗方案。计划于2023年启动的二期临床试验将采取相同的基本方法，只是转而关注更加难以治疗的局灶性癫痫患者。如果成功，该团队打算把技术成果扩展到人脑研究的其他领域，例如多发性硬化症、中风康复、抑郁症与迷幻药神经影响等方向。

对于约三分之一的癫痫患者，现有治疗药物起不到任何作用。但将电流无痛传递至大脑的无创刺激疗法，却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，仍有不少改进空间。研究人员们打造虚拟大脑也正是想要协助刺激疗法进一步完善。

Neurotwin项目协调员、西班牙健康科技初创公司Neuroelectrics（主要为癫痫等神经系统疾病开发无创疗法）首席科学官兼联合创始人Giulio Ruffini表示，数字化身的本质是一套运行在计算机上的数学模型。为了给癫痫患者制作数字化身，Neurotwin团队需要收集约半小时的磁共振（MRI）数据和约10分钟的脑电图（EEG）计数，再使用这些数据创建出一个对应脑电活动的计算机模型。在此基础之上，他们还要高度精确地还原患者大脑的各主要组织，包括头皮、颅骨、脑脊液、灰质和白质等。

Ruffini解释道，数字孪生中还将包含一个嵌入式“神经质量模型”网络。此网络反映的是患者大脑中的“连接体”（大脑中的神经连接映射），也就是表示相互连接的各个神经元的平均行为计算模型。一旦癫痫发作，连接体中的某些区域可能会过度兴奋；而在中风时，连接体本身可能有所改变。在创建出数字孪生之后，团队就可以用它来优化对患者真实大脑的刺激方法。Ruffini补充称，“我们可以在计算机上进行不间断模拟，直到发现我们需要的结果。从这个角度讲，人脑数字孪生副本就类似于天气预报计算模型。”

例如，为了改善癫痫治疗效果，病患每天可以佩戴治疗头盔20分钟、借此接受经颅电刺激。使用数字孪生，Ruffini及其团队可以不断优化刺激电极的位置与所施加的电流水平。

但针对任何器官的数字孪生试验同样会引发一连串伦理问题。例如，如果孪生副本预测此人会在两周之内心脏病发作，那么患者自己有没有知情权？患者如果去世，孪生副本该如何处理？这些数字孪生拥有自己的法律或道德权利吗？

德国埃尔兰根-纽伦堡大学的伦理学家Matthias Braun认为，虚拟孪生一方面为我们带来了令人兴奋、革命性的治疗方法开发思路，“但另一方面，它也给我们带来不少挑战。首先就是数字孪生该归谁所有？是开发孪生副本的公司吗，还是作为孪生建模对象的病患？只有归病患所有，他们才能明确拒绝健康保险公司或其他各方使用数字孪生中的特定信息做出某些预测，保证数字孪生的实际使用不致侵犯他们的自主权或者隐私。”而一旦失去这种控制能力，就会引发Braun所说的“数字奴隶制”问题。

Neuroelectrics公司CEO Ana Maiques则表示，该公司已经在努力解决构建数字孪生时涉及的个人数据问题。她坦言“在进行数字孪生的个性化设计时，有一些难题是无法回避的。数据归谁所有？我们打算用数据做些什么？这都是很现实的挑战。”

为此，项目还招募到研究人员剖析这项工作中的伦理与哲学问题，来自瑞典乌普萨拉大学的神经伦理学家Manuel Guerrero就是其中之一。由于Neurotwin项目位于欧洲，所以收集的相关数据均受到《欧盟通用数据保护条例》（GDPR）的保护，意味着任何数据使用行为都必须得到数据所需豬 的同意 。

Guerrero和他的团队还有另一项任务，就是探索“数字孪生”这个最初只是为制造业服务的概念、到底适不适合用来重现大脑或者心脏这样复杂且具有生命力的对象。数字孪生技术会引发民众误解、或者产生不切实际的过高期望吗？Guerrero指出，“同样是制作数字孪生，人脑的复杂程度要比制造系统中的对象高得多，所以神经科学界内部也在就这个问题争论不休。”

不单是与工业系统相比，即便同为人体器官，大脑的复杂程度也比心脏或者肾脏高出几个量级，带来的伦理难题也更多。Ruffini提到，“我们建立的是一套相当复杂的人脑计算模型。待到发展至一定阶段，我们甚至很难定义这样的数字孪生还是不是单纯的「数字孪生」、或者说它是否已经拥有自己的知觉。”

Braun认为这些问题虽然困难，但却不容回避。“对我来说，这些都是我们当下必须要面对的核心挑战。我知道，很多人觉得应该先把技术搞出来、有什么问题以后再看。”但这种拖延在后续势必会带来可怕的伦理道德风险。

但Neurotwin团队也承认，只要处置得当，这种数字孪生确实能够显著改善患者的治疗效果、推进我们对疑难脑部疾病的深入了解。Maiques总结道，“我们正努力从前所未有的角度帮助脑部疾病患者。我们认为当下的探索代表着一种新的治疗思路，即利用物理与数学的力量完成人脑解码。”