個人の行動と脳活動を再現!「デジタルツイン脳」を開発~精神疾患の個別治療シミュレーションの実現~

ad

2026-02-13 国立精神・神経医療研究センター,東北大学

国立精神・神経医療研究センター東北大学の研究グループは、個人の脳機能的結合(コネクトーム)に基づき、認知・行動および脳活動を動的に再現する「デジタルツイン脳」を開発した。ハイパーネットワークを用いて個人ごとの脳モデルを生成し、反応時間やBOLD信号を高精度に予測(行動r=0.90、脳活動r=0.84)することを実証。さらに、脳結合を仮想的に操作するバーチャル介入により、処理速度や情動反応の改善効果とその個人差を事前予測できることを示した。本成果はBME Frontiersに掲載され、精神疾患の個別化治療シミュレーションへの応用が期待される。

個人の行動と脳活動を再現!「デジタルツイン脳」を開発~精神疾患の個別治療シミュレーションの実現~
図1】デジタルツイン脳システムの概要と予測精度

<関連情報>

デジタルツインブレイン:コネクトームからマルチタスク行動を生成し、パーソナライズされた治療を実現する Digital Twin Brain: Generating Multitask Behavior from Connectomes for Personalized Therapy

Yuta Takahashi, Takafumi Soda, Hiroaki Tomita, and Yuichi Yamashita
BME Frontiers  Published:12 Feb 2026
DOI:https://doi.org/10.34133/bmef.0231

Abstract

Objective: This study introduces and validates a digital twin brain framework designed to translate an individual’s brain connectome into predictions of multitask neurobehavioral dynamics and personalized functional modulations.

Impact Statement: We introduce a novel 2-component architecture—where a hypernetwork personalizes a main network from an individual’s connectome—establishing a mechanistic platform to simulate and design personalized interventions by directly linking connectomes to behavior.

Introduction: Personalized psychiatry requires digital twin models that can predict functions across multiple domains, such as affective and cognitive processing, from an individual’s unique neurobiology. However, existing models struggle to bridge the gap between brain structure and complex, multitask behavior, limiting their clinical utility.

Methods: A hypernetwork uses an individual’s resting-state connectome to generate parameters for a main recurrent neural network that simulates participant-specific behavioral and blood-oxygen-level-dependent (BOLD) time series across tasks. Leveraging the model’s end-to-end architecture linking connectomes to behavior, we used gradient backpropagation to identify connectome manipulations designed to selectively modulate affective or cognitive functions.

Results: Validated on 228 individuals, the model predicted behavioral choices with over 90% accuracy, reaction times (r > 0.85), and BOLD patterns (r = 0.84) with high fidelity. Crucially, in silico interventions successfully modulated targeted functions and reproduced realistic, interindividual variability in treatment effects arising from each person’s baseline connectome.

Conclusion: This digital twin brain system enables high-fidelity, in silico prediction and personalized modulation of complex neurobehavioral functions, advancing the potential for individualized psychiatric care.

生物工学一般
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました