MindCopy — 生物真实感神经网络建模软件平台
日期： 2026年6月23日 作者： 费申 V. A.
摘要
MindCopy 是一个集成软件平台，用于构建、可视化和模拟具有房室（分段）形态学的生物真实感神经网络。平台包括计算核心（BioNeuronCore）、可视化建模环境（BioNeuronStudio）、插件开发工具包（BioNeuronSDK）和自动化测试平台（StudioTestBench）。支持 CPU 和 GPU 执行（Intel SYCL/oneAPI DPC++），二进制 BION v6 格式，121 种跨膜修饰子类型，包含 224 种神经元类型的库（24 种非洲爪蟾蝌蚪 Xenopus laevis + 200 种人类），14 种神经递质，5 种离子，36 个核调控基因。所有离子电流均按照戈德曼-霍奇金-卡茨（GHK）形式化计算。系统提供完整循环：从连接组的胚胎发育到行为反应（趋化性、趋光性、趋音性、前庭反射、电/磁感受）。
关键词： 计算神经科学、房室建模、GHK形式化、GPU模拟、SYCL、神经网络、连接组、蝌蚪、CPG、神经调制、STDP、BION格式。
1. 引言
现代计算神经科学需要的工具，能够模拟具有每个节段详细生物物理学的数千个神经元网络，同时保持可视化的交互性和实验记录能力。MindCopy 平台旨在填补这一空白——它将高性能模拟核心、科学 GUI 和插件生态系统统一在一个环境中。
1.1. 动机
现有的大多数模拟器（NEURON、NEST、Brian）要么专注于单个神经元的详细建模，要么专注于具有简化动力学的大规模网络。MindCopy 占据了一个中间领域：全生物物理分段模型，具有 121 种离子通道/受体/泵类型，适用于高达 10⁴ 个神经元和 10⁵ 个节段的网络，并具有交互式 3D 可视化。
1.2. 平台组成
| 组件 | 版本 | 用途 |
|---|---|---|
| BioNeuronCore | v0.19.3 | 计算核心：C++17 + SYCL 2020，GHK 电流，扩散，可塑性，IPC 守护进程，批量模式 |
| BioNeuronStudio | v0.38.4 | GUI：OpenGL 3.3 + Dear ImGui，3D 视口，图形，实验记录，IPC 客户端 |
| BioNeuronSDK | v0.6.0 | 插件工具包：plugin-devkit.h，调度生成器，CMake 模块 |
| BioNeuronOrchestrator | v0.4.0 | 分布式计算：REST API，参数扫描，进化，筛选，个体发生，志愿者仪表板 |
| StudioTestBench | v0.3.1 | 自动化测试：350+ 测试，模糊测试，valgrind |
| examples | — | 16 个教育实验（.bexp），附三语 README（RU+EN+ZH） |
2. 系统架构
2.1. 原理图
BioNeuronStudio (GUI, OpenGL 3.3, Dear ImGui)
│ simulation_core_api.h — opaque C API (void*) 或 IPC 传输
▼
BioNeuronCore (libbiocore_gcc.a / libbiocore_gpu_backend.so / biocore-daemon --batch)
│ plugin-devkit.h — 通过 dlopen 加载 .so 插件
▼
BioNeuronSDK (生成器、模板、CMake 模块)
BioNeuronOrchestrator (REST API, parameter sweep, evolution, screening, ontogenesis, leaderboard)
│ 管理分布式计算（6 个阶段）
▼
BioNeuronAgent (计算节点上的客户端代理)核心架构原则 — Studio 与 Core 之间的类型完全隔离。Studio 从不直接包含 Core 的头文件；所有交互都通过 simulation_core_api.h 进行，该文件只暴露不透明指针（void*）和访问器函数。这防止了二进制耦合，并允许两个项目独立演进。
2.2. 计算核心（BioNeuronCore）
语言： C++17 + SYCL 2020（Intel oneAPI DPC++） 构建： GCC（CPU，libbiocore_gcc.a）和 Intel DPC++（GPU，libbiocore_gpu_backend.so） 数据模型： POD（Plain Old Data），#pragma pack(1)，固定数组 — 与 GPU/USM 兼容
模拟循环（每个 tick 5 个步骤）
每次调用 run_tick(dt) 执行五个连续步骤，具有显式的 q.wait() 屏障：
- 修饰子电流 →
I_buffer逐段（CPU 或 GPU 调度） - 轴向电流 通过
IntraConnection→ 原子累加到I_buffer中 - 跨段扩散：离子、神经递质、ATP、温度、转录信号 — 菲克定律，O(N_conn)，CPU
- 突触电流：尖峰 → 释放 → 调制 → 突触后响应 → 清除
- 膜电位更新：V_m += I_buffer / C_m · dt，重置 I_buffer
双调度器 CPU/GPU
- CPU：函数指针表
modifier_current_table[128]，通过dlopen从.so插件加载。添加修饰子不需要重新构建 Core。 - GPU：121 个 case 的
switch语句（SYCL 不支持函数指针）。需要重新编译。 - 回退链：CPU 路径 → 插件表 → 生物学回退（编译好的 switch）。
BION v6 格式
二进制神经网络格式。结构体使用 #pragma pack(1)：
| 结构体 | 大小 | 用途 |
|---|---|---|
NetworkHeader |
84 字节 | 版本，元素数量，v5+：num_nuclei |
Segment |
988 字节 | 几何，V_m，5+5 离子，14 NT，16 修饰子，ATP |
Modifier |
44 字节 | 类型，密度，state[8]，标志 |
Synapse |
824 字节 | 前/后 ID，受体，cleft_nt[14]，权重，延迟 |
Nucleus |
332 字节 | 36 个基因（gene_activity + protein_level），v5→v6 迁移 |
IntraConnection |
12 字节 | 段-段连接 |
Neuron |
24 字节 | 标识符，标志 |
ConsolidationEvent |
36 字节 | 巩固数据 |
向后兼容性：v3→v4→v5→v6，加载时即时迁移。
2.3. 图形工作室（BioNeuronStudio）
框架： OpenGL 3.3 Core，Dear ImGui（docking），ImGuizmo，ImPlot 语言： C++17 本地化： 俄语、英语、中文（i18n JSON）
主要面板和窗口
| 组件 | 功能 |
|---|---|
| 3D 视口 | 轨道摄像机，封闭圆柱 + 端盖圆盘，截锥接头（平滑不同半径段之间的过渡），射线拾取选择，ImGuizmo（平移/旋转），尖峰高亮 |
| 组装面板 | 创建段（胞体、树突、轴突、芽体、棘），网络模板，CPG 模板 |
| 属性面板 | V_m，几何，修饰子，突触受体，关联段 |
| 网络层级 | 树：网络 → 神经元 → 段 → 修饰子 + 突触，上下文菜单，拖放 |
| 图形（ImPlot） | V_m，离子，尖峰光栅，离子/突触电流，环形缓冲区 10000 点，CSV 导出 |
| 「受试体」面板 | 蝌蚪生成（7 条 Roberts 2014 规则），个体发生，感觉层，3D 身体 |
| 转换器 | SWC→BION，形态学度量，段长度设置 |
| 细胞库 | 224 种神经元类型，具有预设的生物物理剖面 |
| 刺激 | I_clamp，电压钳，斜坡，离子/配体注入 |
| 探针 | 插管和电极：记录/刺激/注入，3D 可视化 |
| 实验 | 录制/回放为 .bexp（JSON 头 + 二进制帧），浏览器，播放器 |
| NeuroML | 导入/导出 NeuroML v2：cell/morphology，biophysicalProperties，projection |
| 组织学 | 3 种模式（实际/简约/生物学 1:1），形态学衍生的 N/C 比，核仁，尼氏体，4 种染色 |
| 视频录制 | AVI：未压缩 / MJPEG，异步帧生成 |
| 更新 | 通过 API 在线检查（AES-256-GCM）+ 本地源（.deb/.rpm/.AppImage/.so） |
模拟桥（SimulationBridge）
- 三种模式：CPU（静态链接），GPU（dlopen），IPC（Unix 套接字/TCP 到守护进程）
- 线程安全：互斥锁，快照复制到
NetworkSnapshot供 GUI 使用 - 检查点：保存/加载模拟状态
- USM 指针：GPU 统一共享内存可从 CPU 无需更改地访问
- 多会话：通过
SessionContext隔离会话，GPU 上独立的模拟
2.4. 分布式计算编排器（BioNeuronOrchestrator）
HTTP 服务器（libmicrohttpd）+ 客户端代理（libcurl）。支持在多个计算节点上分布式执行任务。实现为 6 个连续阶段，每个阶段具有完整的测试覆盖。
编排器架构
- Orchestrator Server（C++17，libmicrohttpd）：REST API，带优先级的任务队列，通过 MySQL/MariaDB 持久化（IDatabase+MockDatabase 用于无需数据库的测试）
- BioNeuron Agent：计算节点上的轻量客户端，接收任务，以批量模式启动 Core 守护进程（
--batch --load-bion --ticks --params-json --seed），报告结果 - 密码学：AES-256-GCM 加密，ECDSA-P256 签名，PBKDF2 密钥派生（OpenSSL）
- 验证：带范围检查的 JSON 解析器，十六进制验证（SHA-256），URL 和路径检查
- 日志：按大小（10 MB）和文件数（5）轮转，宏 OLOG_INFO/WARN/ERROR，格式
[timestamp] [LEVEL] message - 仪表板：来自数据库的动态节点和任务表，状态徽章，自动刷新
阶段 1：Parameter Sweep（参数扫描）
参数扫描：一个 BION 网络 × N 种参数组合。编排器通过枚举值（线性和对数刻度）生成 sub_jobs，代理接收 .bion + params_json → Core 守护进程批量模式 → .bexp + 指标。Core 守护进程支持 --batch、--params-json、--seed、--bexp-output。IPC 消息 MSG_RUN_TASK_PARAMS（0x090A）。
阶段 2：内存检查 + 分层执行
在分配任务之前，验证节点能力（RAM、GPU 内存、CPU 核心）是否符合任务要求。代理读取 /proc/meminfo → 注册 NodeCapabilities。Core 支持 mmap 分配（MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS）和 madvise 提示，以及 HOT/WARM/COLD 段分类（影子验证：默认关闭分层执行，所有计算都是完整的生物物理 tick）。
阶段 3：重复 + 验证
每个 sub_job 分配给 2 个独立代理。结果按指标（按群体的平均 V_m、尖峰计数、同步指数）进行比较，容差为 0.1%。如有分歧，分配第三个代理 — 多数投票决定。状态：TASK_PARTIALLY_VALIDATED → TASK_FULLY_VALIDATED / TASK_DIVERGENT。
阶段 4：进化优化 + 虚拟筛选
遗传算法（锦标赛选择、单点交叉、高斯突变、精英 10%、锦标赛规模 3、早停收敛）在网络参数空间上进行。化合物库虚拟筛选 — 每个分子 → sub_job → 按 efficacy score 排名。
阶段 5：个体发生 + 连接组研究
带检查点的长时间任务。Core：MSG_CHECKPOINT_AND_CONTINUE（0x0804），优雅关闭（SIGTERM → 检查点 → exit(75)）。个体发生：4 阶段链（EARLY_TAILBUD → … → FREE_SWIMMING）。连接组：LHS 采样（Latin Hypercube Sampling）突触矩阵。
阶段 6：志愿者仪表板
公共排行榜（GET /api/v1/leaderboard?limit=100），志愿者个人统计，积分系统（base_points = ticks/1000 × capability_multiplier），徽章："First Contribution"、"10 Tasks"、"100K Ticks"、"1M Ticks"、"Validated"、"Ontogeny Pioneer"、"Evolution Master"、"7-Day Streak"。三语界面（RU+EN+ZH）。
API
POST /api/v1/node/register — 注册节点及能力
POST /api/v1/task/claim — 请求 sub_job
POST /api/v1/task/result — 提交结果及指标
POST /api/v1/task/heartbeat — 心跳及 CPU/GPU/内存指标
GET /api/v1/task/status/:id — 任务状态
POST /api/v1/task/create_sweep — 创建参数扫描
POST /api/v1/task/create_evolution — 创建进化运行
POST /api/v1/task/create_screening — 创建虚拟筛选
POST /api/v1/task/create_experiment — 创建实验（.bexp）
GET /api/v1/leaderboard — 排行榜（公开）
GET /api/v1/volunteer/:id/stats — 志愿者统计（公开）2.5. 插件工具包（BioNeuronSDK）
- plugin-devkit.h — 自包含头文件（POD 类型、常量、API、宏、辅助函数）
- biocore-gen-dispatch.py — Python 生成器，从
.desc描述符生成 GPU/SYCL 调度代码 - biocore-plugin.cmake — CMake 模块，用于构建
.so插件（GCC）和生成调度 - 用户自定义类型：ID 121–127（内置：0–120）
- 双调度器：CPU 通过
.so的函数指针，GPU 通过编译好的 switch
2.6. 测试平台（StudioTestBench）
350+ 测试：单元测试（Core 32/32），集成测试（Orch 16/16，SDK 6/6），组件测试（Studio 214），端到端测试，回归测试，冒烟测试，性能测试，安全测试（模糊测试），混沌测试，视觉回归测试。JSON 解析器和日志记录的 70 个测试。守护进程多线程隔离的 7 个测试（守护进程多会话验证）。Valgrind 验证（0 错误）。MockDatabase 用于无需 MySQL 的编排器测试。完整运行：约 30 分钟。
3. 生物物理模型
3.1. 分段-房室架构
每个神经元由一连串独立的电学房室（段）表示，通过细胞内连接（IntraConnection）相连。大小为 988 字节的段包含：
- 几何：位置（x, y, z），长度，半径 → 膜面积 → 电容（C_m = 0.01 pF/μm²）
- 电学：V_m（mV），I_buffer
- 离子浓度：5 种细胞内 + 5 种细胞外（Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻, Mg²⁺）
- 神经递质：细胞外间隙中的 14 种类型（cleft）
- 修饰子：每段最多 16 种跨膜蛋白
- 代谢：ATP，温度
- 可塑性：
transcription_signal（CREB 依赖）
3.2. 混合 HH+GHK：门控动力学 — 霍奇金-赫胥黎，电流 — 戈德曼-霍奇金-卡茨
MindCopy 平台采用混合方法，将门控机制的动力学与离子电流方程分开：
门控动力学（霍奇金-赫胥黎，HH）：激活（m）和失活（h）变量由一阶微分方程描述：\[\frac{dm}{dt} = \alpha_m(V) \cdot (1 - m) - \beta_m(V) \cdot m, \quad \frac{dh}{dt} = \alpha_h(V) \cdot (1 - h) - \beta_h(V) \cdot h\] 其中 α(V) 和 β(V) 是状态之间的电压依赖性转换速率。HH 动力学在 59 个内置插件中实现（
hh_biological.cpp）。电流方程（戈德曼-霍奇金-卡茨，GHK）：取代经典线性近似 I = g·(V − E_rev)，使用 GHK 电扩散方程：\[I_{ion} = P_{ion} \cdot m^p \cdot h^q \cdot z^2 \cdot \frac{VF^2}{RT} \cdot \frac{[ion]_i - [ion]_o \cdot e^{-zVF/RT}}{1 - e^{-zVF/RT}}\] 其中 P_ion — 最大通透性，z — 化合价，F — 法拉第常数，R — 气体常数，T — 温度。
与经典 HH 的原则性区别：在标准霍奇金-赫胥黎模型中，反转电位 E_rev 设定为常数（例如 E_Na = +50 mV），电流计算为 I = g_max · m³h · (V − E_rev)。这种近似仅在离子浓度恒定时有效。在 MindCopy 中，E_rev 从不设为常数 — 它是根据实际的细胞内和细胞外浓度通过能斯特方程动态计算的：\[E_{rev} = \frac{RT}{zF} \ln\frac{[ion]_o}{[ion]_i}\]
因此，HH 负责「何时打开」，GHK 负责「通过多少」。这对 Ca²⁺ 和 Mg²⁺ 尤为关键，因为在模拟过程中其浓度会发生数量级的变化。
混合方法的优势：- 自动反转电位：E_rev 每个 tick 根据当前浓度重新计算 - 直接离子运动：Ca²⁺、Mg²⁺ 按 GHK 电流比例进入/离开，改变细胞内浓度 - 次级效应：间隙中 K⁺ 的积累或内质网中 Ca²⁺ 的耗尽会改变后续电流的驱动力 - 热力学一致性：GHK 方程由能斯特-普朗克方程推导而来，而非假设
所有 121 种修饰子类型均已迁移至 GHK（v0.15.0）。系统中不存在硬编码的 E_rev。
3.3. 扩散（菲克定律）
离子、神经递质和代谢物的段间扩散：
\[J = -D \cdot \frac{A}{L} \cdot \Delta C\]
其中 D — 扩散系数（斯托克斯-爱因斯坦：D = kT/(6πηr)），A/L — 段的几何因子，ΔC — 浓度梯度。
3.4. 突触传递
- 化学突触：突触前尖峰 → 神经递质释放到间隙（cleft_nt[NT]）→ 激活突触后受体 → 突触后电流 → 清除（tau_clearance）
- 电突触（间隙连接）：V_j-门控（玻尔兹曼）+ Ca²⁺/CaM-门控（希尔），connexin-36（MOD_CONNEXIN_CX36）
- 突触前调制器：12 种类型，GPCR 级联，调节释放概率
- 概率性释放：xorshift32，seed = synapse_id ⊕ tick ⊕ (V_m · 1000)
3.5. 分子可塑性
- STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity，尖峰时间依赖可塑性）：CaMKII（LTP）/ Calcineurin（LTD）— 钙符合检测器
- BCM 规则：滑动阈值 θ_m（Ca²⁺ 依赖）
- PP1/DARPP-32：多巴胺依赖的可塑性调制（D1→PKA→抑制 PP1→LTP↑）
- 巩固：MAPK/ERK，IKK/NF-kB，mTORC1，蛋白质合成，Cofilin（肌动蛋白重塑），MMP-9（ECM 降解）— 6 个事件
- 基因表达：36 个基因，转录因子 → 通道，BION v6
3.6. 稳态
- PMCA：质膜 Ca²⁺-ATP 酶
- NCX：Na⁺/Ca²⁺ 交换体（3:1 化学计量）
- KCC2：K⁺-Cl⁻ 共转运体（阶段依赖）
- Na/K-ATP 酶：3Na⁺/2K⁺，维持梯度
- Ca²⁺ 缓冲：类小清蛋白（快/慢池）
4. 修饰子目录（121 种类型）
组 1：基础（0–7）
离子型通道（Na/K、Ca、Cl），代谢型 GPCR，髓磷脂，突触释放，物理传感器，Na/K 泵。
组 2：离子型受体（8–16）
AMPA、NMDA、海人藻酸、GABA-A、甘氨酸、尼古丁、5-HT3、P2X、TRPV1。
组 3：代谢型 Gi/o（17–40）— 24 种
GABA-B、5-HT1(A/B/D/F)、D2/D3/D4、M2/M4、A1/A3、mGluR(2/3/4/6/7/8)、α2、CB1/CB2、H3、MT1/MT2。抑制性：↓cAMP、↑K⁺ 电导（GIRK）、↓Ca²⁺ 电流。
组 4：代谢型 Gs（41–51）— 11 种
5-HT(4/6/7)、D1/D5、A2A/A2B、β1/β2、H2、TAAR1。兴奋性：↑cAMP → PKA → ↑Ca²⁺/Na⁺ 电流。
组 5：代谢型 Gq/11（52–62）— 11 种
5-HT2(A/B/C)、α1A/α1B、M1/M3/M5、mGluR1/mGluR5、H1。兴奋性：↑IP3/DAG → ↑Ca²⁺（来自 ER）+ ↑PKC。
组 6：Neuroblox 兼容（63–79）— 17 种
扩展生物物理模型：MoradiFullNMDAR、AMPA-STA、D1/D2-MSN 调制器、α7-nAChR（Markov）、TRPM4（I_CAN）、毒蕈碱（I_NCM）、Destexhe 振荡器（AMPA/NMDA/GABA-A/GABA-B）、MsnNMDAR/AMPAR、线粒体 ATP、热传感器、CREB 转录。
组 7：通用型（80–81）— 2 种
参数化：state[] 设置 V₁/₂、k、τ、g（电压依赖）或 EC₅₀、g、τ（配体依赖）。从 NeuroML 导入。
组 8：分子 STDP（82–86）— 5 种
CaMKII、Calcineurin、Cav1.x L-型、Kv4.2 A-型 K⁺、eCB 合成（2-AG）。
组 9：巩固（87–92）— 6 种
MAPK/ERK、IKK/NF-kB、mTORC1、蛋白质合成、Cofilin、MMP-9。
组 10：传感器和 CPG（93–95）— 3 种
抑制后反弹（PIR）、饥饿传感器（ATP）、光感受器（松果体）。
组 11：PIR 亚型（96–97）— 2 种
Cav3.x T-型 Ca²⁺、HCN Ih。
组 12：稳态（98–102）— 5 种
PMCA、NCX、KCC2、Ca²⁺ 泄漏、Ca²⁺ 缓冲。
组 13：节律生成通道和特化类型（103–120）— 18 种
SK、BK、NaP、Kir、K2P、嗅觉受体、Kir4.1 胶质、胶质 Na/K-ATP 酶、热噪声（Johnson-Nyquist）、Kv7 M-电流、PP1/DARPP-32、Connexin-36、振动传感器、耳石毛细胞、半规管、壶腹电感受器、磁铁矿机械感受器、隐花色素磁传感器。
5. 神经递质（14 种）
| ID | 名称 | 类型 |
|---|---|---|
| 0 | 谷氨酸 | 兴奋性 |
| 1 | GABA | 抑制性 |
| 2 | 多巴胺 | 神经调制 |
| 3 | 血清素（5-HT） | 神经调制 |
| 4 | 乙酰胆碱 | 兴奋性/调制 |
| 5 | 腺苷 | 神经调制 |
| 6 | 去甲肾上腺素 | 神经调制 |
| 7 | 甘氨酸 | 抑制性 |
| 8 | 组胺 | 神经调制 |
| 9 | 内源性大麻素 | 逆行性 |
| 10 | ATP | 神经调制 |
| 11 | 褪黑素 | 神经调制 |
| 12 | Mg²⁺ | NMDA 阻断剂 |
| 13 | 尼古丁 | nAChR 激动剂 |
6. 离子（5 种）
Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Cl⁻、Mg²⁺。每个段跟踪细胞内和细胞外浓度。段间扩散。通过 GHK 的离子电流自动更新浓度。
7. 神经元库（224 种）
7.1. 非洲爪蟾蝌蚪 Xenopus laevis（24 种）
感觉神经元（8）： RB（Rohon-Beard，触觉），PINEAL（光感受器），LL（侧线，水流），ORN（嗅觉），AUDITORY_SENSOR（振动），OTOLITH（重力），SEMICIRCULAR（角加速度），ELECTRORECEPTOR（电场）。
中间神经元（7）： dIN（下行，CPG 节律驱动器），cIN（连合，交叉抑制），aIN（上行，GABA 能），dlc_MHR（脑干，运动驱动），TECTUM（视觉整合），DS_IN（方向选择性侧抑制），SER（食欲素能搜索）。
运动神经元（1）： mn（运动神经元）。
指令神经元（1）： AVOID（网状脊髓逃逸，类 Mauthner）。
调制神经元（1）： HYPOTHALAMIC（内感受，饥饿）。
胶质细胞（2）： GLIA_RADIAL（放射状，K⁺ 缓冲），Ependymal cell（室管膜细胞）。
附加（4）： Kolmer-Agduhr cell（CSF-c），Skin touch receptor，Muscle spindle afferent，MAGNETORECEPTOR。
7.2. 人类（200 种，按类别）
| 类别 | 数量 | 关键代表 |
|---|---|---|
| 大脑皮层 | 14 | 锥体细胞（L2/3、L5、L6），中间神经元（PV、SST、VIP），星状细胞，梭形细胞 |
| 小脑 | 12 | 浦肯野细胞，颗粒细胞，高尔基细胞，篮状细胞，星状细胞，小脑核 |
| 海马体/内嗅皮层/下托 | 9 | CA1/CA3 锥体细胞，DG 颗粒细胞，中间神经元，下托细胞 |
| 丘脑 | 8 | 中继细胞（LGN、MGN、VPL/VPM），网状细胞，板内核 |
| 基底节 | 7 | MSN D1/D2（中型多棘），胆碱能，PV 中间神经元 |
| 脑干 | 17 | 单胺能（D RN、5-HT RN、LC NE），网状结构，缝核，PAG |
| 脑神经 | 11 | III（动眼神经），V（三叉神经），VII（面神经），VIII（前庭蜗神经），X（迷走神经） |
| 脊髓 | 14 | α-运动神经元，γ-运动神经元，中间神经元（Ia、Ib、II），Renshaw 细胞 |
| 视网膜 | 15 | 光感受器（视杆、视锥 L/M/S），双极细胞（ON/OFF），神经节细胞（midget、parasol、ipRGC），水平细胞，无长突细胞 |
| 嗅球 | 4 | 僧帽细胞，颗粒细胞，球周细胞 |
| 下丘脑 | 14 | 食欲素，MCH，加压素，催产素，GnRH，TRH，CRH，生长抑素，多巴胺 TIDA |
| 杏仁核 | 3 | BLA 锥体细胞，中央 CeA |
| 边缘系统 | 4 | 伏隔核（NAc MSN），隔区，扣带皮层 |
| 胶质细胞 | 11 | 星形胶质细胞，少突胶质细胞，小胶质细胞，NG2⁺ 前体，室管膜细胞，放射状胶质，Müller 胶质，Bergmann 胶质 |
| 自主/肠道神经 | 8 | 交感/副交感神经节前/节后，肠道（Auerbach 丛/Meissner 丛） |
| 听觉/前庭 | 10 | 毛细胞（耳蜗、球囊、椭圆囊），螺旋神经节，Scarpa 神经节 |
| 感觉 | 8 | 伤害感受器，温度感受器，机械感受器（Merkel、Meissner、Ruffini、Pacini），本体感受器 |
| 代谢/内分泌 | 9 | 胰腺 β 细胞，α 细胞，褪黑素细胞（松果体细胞），甲状腺细胞，肾上腺皮质细胞 |
| 垂体 | 5 | 促性腺激素细胞，催乳素细胞，生长激素细胞，促肾上腺皮质激素细胞，促甲状腺激素细胞 |
| 血管 | 2 | 内皮细胞，平滑肌细胞 |
| 神经调制 | 5+ | 多巴胺能（SNc、VTA），血清素能（Raphe），去甲肾上腺素能（LC），胆碱能（BF），组胺能（TMN） |
| 纹状体 | 5 | MSN D1 直接通路，MSN D2 间接通路，FSI，ChAT，Pvalb |
| 间脑 | 3 | 上丘脑（缰核），底丘脑 |
8. 蝌蚪连接组：in silico 胚胎发生
实现了 7 条 Roberts 规则（Roberts et al., 2014），用于生成非洲爪蟾蝌蚪 Xenopus laevis 的连接组（4 个阶段：EARLY_TAILBUD → LATE_TAILBUD → HATCHING → FREE_SWIMMING）：
- 神经元分化：胞体在指定的背腹/吻尾位置
- 轴突生长：定向生长，具有环境屏障
- 轴突分支：概率性，取决于神经元类型
- 突触形成：自发 + 概率矩阵 10×10
- CPG 回路：保证交叉抑制连接（cIN↔dIN 甘氨酸 + GABA-B），非对称 kickstart
- 胶质细胞：放射状胶质，合胞体，K⁺ 空间缓冲（Kir4.1）
- STDP/巩固：可塑性分配，加强功能连接
FREE_SWIMMING 阶段的网络参数：约 238 个神经元，约 5000 个段，约 28000 个连接，约 7400 个突触。
9. 行为趋向性
9.1. 趋化性
SER 神经元（食欲素能）+ ORN → 调转趋性（swim_phase → nostril_offset ±40%）。浓度梯度 → CPG 不对称 → 转向源头。
9.2. 趋光性
TECTUM → AVOID（GABA，w=3.0，回避抑制）。阴影 → TECTUM 下降 → AVOID 去抑制 → C-转弯。AVOID → 对侧 dIN（AMPA，w=2.0）+ AVOID → 同侧 cIN（AMPA，w=1.5）。
9.3. 趋音性
AUDITORY_SENSOR=15，MOD_VIBRATION_SENSOR=115。振动/声音 → 机械转导 → CPG 不对称。
9.4. 前庭器官
OTOLITH=16（重力 + 线性加速度），SEMICIRCULAR=17（角加速度）。MET 通道 → Ca²⁺ 适应。
9.5. 电感受
MOD_ELECTRORECEPTOR_AMPULLARY=118：洛伦齐尼壶腹，凝胶通道，低通滤波器，电场。
9.6. 磁感受
MOD_MAGNETITE_MECHANORECEPTOR=119（Fe₃O₄ 链 → 扭矩 → MET）+ MOD_CRYPTOCHROME_MAGNETIC=120（Cry4，自由基对，光依赖）。
10. 教育实验
平台包含 16 个教育实验的包，格式为 .bexp，分布在三个级别：
学士（4）： action_potential（动作电位 — HH Na⁺/K⁺ 通道，阈值，不应期），passive_cable（被动电缆 — λ 和 τ，信号衰减），synaptic_integration（突触整合 — EPSP/IPSP，时间和空间总和），lateral_inhibition（侧抑制 — GABA-A，对比度增强）。
硕士（8）： motion_detection（运动检测 — 延迟抑制），direction_selective（方向选择性 — Barlow-Levick DS），cpg_rhythm（CPG 节律 — 半中心，GABA-B/甘氨酸），working_memory（工作记忆 — 相互抑制），receptive_field（感受野 — 中心-周边），stdp_ltp（STDP 长时程增强 — CaMKII），stdp_ltd（STDP 长时程抑制 — Calcineurin），stdp_learning（STDP 学习 — 噪声输入，突触竞争）。
博士（4）： epileptiform（癫痫样活动 — ↑[K⁺]ₒ + GABA-A 阻断），pharmacology（药理学 — 通道阻断剂和激动剂），homeostatic_plasticity（稳态可塑性 — PMCA/NCX/KCC2，BCM 滑动阈值），bifurcations（分岔 — 改变 g_Na 时神经元动力学的分岔）。
每个实验都附有三种语言（俄语、英语、中文）的 README，包含理论介绍、生物物理机制描述和逐步实验方案。所有实验均不使用替代品 — 通过完整的生物物理 tick core_run_tick_impl（HH 门控动力学 + GHK 电流 + 扩散 + 可塑性）执行。
11. 术语表
BION（Binary Neuronal Object Notation） — 神经网络存储的二进制格式。使用 #pragma pack(1) 的紧凑表示。版本 6。
CPG（Central Pattern Generator，中枢模式发生器） — 产生节律性运动模式（游泳）而无感觉反馈的神经回路。
GHK（Goldman-Hodgkin-Katz，戈德曼-霍奇金-卡茨） — 计算跨膜离子电流的形式化方法。考虑实际离子浓度、化合价和温度。取代简化的 I = g·(V − E_rev)。
HH（Hodgkin-Huxley，霍奇金-赫胥黎） — 电压依赖性离子通道门控的动力学模型。门控变量 m（激活）、h（失活）由一阶微分方程描述。在 MindCopy 中，HH 动力学决定「通道何时打开」（m^p · h^q），而实际的离子电流则通过 GHK 方程计算，而非经典的 I = g·(V − E_rev)。混合 HH+GHK：动力学来自 HH，电导来自 GHK。
修饰子（Modifier） — 添加到一个段上的跨膜蛋白。可以是离子通道、受体、泵、交换体、传感器或信号级联组件。由类型（0–120）和密度（density ∈ [0,1]）指定。结构大小：44 字节。
神经递质（Neurotransmitter） — 突触间隙中激活突触后受体的化学物质。14 种类型：谷氨酸、GABA、多巴胺、血清素、乙酰胆碱、腺苷、去甲肾上腺素、甘氨酸、组胺、内源性大麻素、ATP、褪黑素、Mg²⁺、尼古丁。
段（Segment） — 神经元的一个电学房室。具有长度和半径的圆柱体。可以是胞体、树突、轴突、突触前特化（芽体）或突触后特化（棘）。模拟的基本单位。988 字节。
突触（Synapse） — 段之间的接触（化学、电学）。化学突触通过 PRE/POSTSYNAPSE 特化（芽体 → 棘）。824 字节。
STDP（Spike-Timing-Dependent Plasticity，尖峰时间依赖可塑性） — 依赖性于尖峰时间顺序的可塑性。前-在前-后 → LTP（CaMKII）；后-在前-前 → LTD（Calcineurin）。
PIR（Post-Inhibitory Rebound，抑制后反弹） — 强超极化后，T-型 Ca²⁺ 通道（Cav3.x）去失活并打开，产生去极化「反弹」。
IntraConnection — 同一神经元两个段之间的细胞内连接。传递轴向电流。
SYCL — 跨平台并行编程标准（Khronos Group）。在 MindCopy 中，使用 Intel oneAPI DPC++ 实现进行 GPU 加速。
USM（Unified Shared Memory，统一共享内存） — SYCL 中统一的 CPU/GPU 内存。指针可从两个设备访问，无需显式复制。
.bexp — 实验录制的二进制格式。JSON 头（元数据、探针配置）+ 二进制帧（逐段 V_m、离子、NT）。
.desc — 插件的 JSON 描述符。包含 id、name、category、description、release（突触前调制器标志）。
POD（Plain Old Data） — 无虚函数、指针和动态内存的数据结构。与 SYCL/USM 和 FPGA HLS 兼容。
12. 技术规格
| 参数 | 值 |
|---|---|
| 核心语言 | C++17 + SYCL 2020 |
| 工作室语言 | C++17 |
| 图形 | OpenGL 3.3 Core，Dear ImGui（docking），ImGuizmo，ImPlot |
| 构建 | CMake，GCC（CPU），Intel DPC++（GPU） |
| 平台 | Linux x86-64 |
| GPU | Intel GPU（Intel oneAPI），通过 SYCL 支持 NVIDIA/AMD |
| FPGA | 与 Vitis HLS 兼容（POD，无 new/malloc，最小分支） |
| 本地化 | 俄语、English、中文（i18n JSON） |
| 注释 | 俄语，标识符 — 英语 |
| 网络格式 | BION v6（二进制，#pragma pack(1)） |
| 实验格式 | .bexp（JSON + 二进制帧） |
| NeuroML | v2 导入/导出 |
| SWC | 导入/导出（ASCII，7 列） |
| 视频 | AVI（未压缩 / MJPEG），异步生成 |
| 更新 | HTTPS API + AES-256-GCM + 本地 .deb/.rpm/.AppImage/.so |
| 测试 | 350+ 测试（Core 32、Orch 16、SDK 6、Studio 214，其余 — TestBench），Valgrind 0，模糊测试，CI |
| 批量模式 | Core 守护进程 –batch：无头模拟（无 GUI），–params-json，–seed，–bexp-output |
| 检查点 | 每 N tick 自动保存，–resume-from，优雅关闭（SIGTERM） |
| 实验 | 16 个教育 .bexp（学士/硕士/博士），README RU+EN+ZH |
| 分布式计算 | 6 个阶段：扫描、内存、验证、进化、个体发生、仪表板 |
| 许可证管理 | ECDSA-P256 离线密钥 + 在线验证（AES-256-GCM） |
13. 结论
MindCopy 平台为计算神经科学提供了完整的工具包——从分子机制（HH 门控动力学、GHK 电流、STDP、基因表达）到行为反应（趋向性），在一个统一的集成环境中。模块化架构（Core ↔ Studio ↔ SDK ↔ Orchestrator）允许独立演进计算核心、图形界面、插件生态系统和分布式计算基础设施。
分布在 6 个阶段的架构（参数扫描、内存检查、验证重复、进化优化、带检查点的个体发生、志愿者仪表板）使得模拟可以扩展到大量计算节点——从志愿者的家用 PC 到服务器集群。16 个教育实验及三语文档（RU+EN+ZH）确保从神经科学基本概念到高级研究方案的无缝入门。
224 种神经元类型、121 种修饰子、14 种神经递质、36 个基因和 5 种离子提供了详细的生物物理建模，经 Valgrind 分析验证（0 内存错误）和 350+ 自动化测试验证。所有计算都通过完整的生物物理 tick 进行：HH 动力学决定「通道何时打开」，GHK 方程决定「多少离子通过」，没有替代品和简化的电导模型。
系统设计面向未来扩展：GPU/SYCL — 用于高性能计算，POD 结构 — 用于 FPGA HLS，SDK — 用于插件开发者社区，BION v6 — 用于长期二进制兼容性，.bexp 格式 — 用于可重复实验。
2026 俄罗斯克拉斯诺达尔 / Krasnodar, Russia