腦計(jì)劃，只為讀懂我們的腦？

郭爽　任海軍　江世亮

作為人類(lèi)，我們能夠確定光年遠(yuǎn)的星系，研究小于一個(gè)原子的顆粒，但我們?nèi)匀粵](méi)有解開(kāi)介于我們耳朵之間這三磅重的物質(zhì)的秘密。因此，我們?nèi)匀粺o(wú)法治愈像老年癡呆癥、自閉癥之類(lèi)的疾病，或者能從中風(fēng)中完全康復(fù)。

大腦研究計(jì)劃將會(huì)有助于科學(xué)家們獲得腦部活動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖，并更好地理解我們?nèi)绾嗡伎肌W(xué)習(xí)和記憶。這項(xiàng)計(jì)劃能夠創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)，并可能改善全球數(shù)十億人的生活。——巴拉克·奧巴馬（2013.4.2）

什么是大腦活動(dòng)圖譜（BAM）？

開(kāi)展BAM的目的是讓我們可以從復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中讀寫(xiě)單個(gè)神經(jīng)元。大家知道，數(shù)量巨大且非常廣泛的神經(jīng)回路使大腦的各個(gè)不同部位聯(lián)成一體，人們?cè)噲D得到總體和局部?jī)蓚€(gè)水平的解析。

科學(xué)家們希望通過(guò)研究“大腦活動(dòng)圖譜”得到對(duì)自然狀態(tài)的最基本的了解，而這只有當(dāng)認(rèn)識(shí)達(dá)到一定的深度和廣度才能實(shí)現(xiàn)。他們希望深刻地理解醫(yī)學(xué)病理、人的日常情緒以及創(chuàng)造力的產(chǎn)生，等等，同時(shí)也希望看到在成本、準(zhǔn)確性、全面性和低侵入性等方面的巨大改善。后者是工程上的障礙，而不是某些特定的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

通過(guò)BAM，最想解決什么問(wèn)題？

人類(lèi)希望得到對(duì)自然狀態(tài)的最基本的了解，而這只有當(dāng)認(rèn)識(shí)達(dá)到一定的深度和廣度才能實(shí)現(xiàn)。我們希望深刻地理解醫(yī)學(xué)病理、人的日常情緒以及創(chuàng)造力的產(chǎn)生，等等，同時(shí)也希望看到在成本、準(zhǔn)確性、全面性和低侵入性等方面的巨大改善。后者是工程上的障礙，而不是某些特定的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

對(duì)臨床的幫助大嗎？

目前可以在人類(lèi)大腦中同時(shí)記錄和刺激幾十個(gè)神經(jīng)元。但這些技術(shù)并不能總是持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，作為植入物，它一時(shí)很難得到日常所需的精細(xì)測(cè)量或控制等數(shù)據(jù)。目前可以同時(shí)處理的神經(jīng)元數(shù)量提升速度非常緩慢。因此，我們希望在加大數(shù)量的同時(shí)降低侵害性，或改用其他方法，比如用光纖或合成生物學(xué)方法替代電極。

“腦計(jì)劃”是怎么產(chǎn)生的？奧巴馬政府為什么在經(jīng)濟(jì)不景氣的時(shí)候斥資做這件事？

繪制人腦活動(dòng)圖的想法源于美國(guó)一個(gè)資助神經(jīng)科學(xué)、天體物理、納米科學(xué)的智囊機(jī)構(gòu)卡弗里基金會(huì)在2011年9月組織的一次關(guān)于神經(jīng)科學(xué)的頭腦風(fēng)暴，與會(huì)的6位專(zhuān)家在合成生物學(xué)、納米科技和神經(jīng)科學(xué)方面均有很深造詣，領(lǐng)頭人是哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家喬治·丘奇，此人是人類(lèi)基因組計(jì)劃的創(chuàng)始人之一。

與會(huì)者認(rèn)為，隨著一系列新技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)展一項(xiàng)大規(guī)模的用以跟蹤人類(lèi)大腦功能連接活動(dòng)，直至對(duì)每個(gè)神經(jīng)元功能作詳盡了解的條件已經(jīng)成熟，于是就有了一份名為大腦活動(dòng)圖譜繪制（BrainActivity Mapping，BAM）的項(xiàng)目建議書(shū)，并于同年12月向美國(guó)國(guó)立健康研究院、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室提出了這一項(xiàng)目。喬治·丘奇等幾位科學(xué)家的想法正好與奧巴馬總統(tǒng)想從科學(xué)上尋求突破以迎接未來(lái)挑戰(zhàn)的想法契合，所以項(xiàng)目一經(jīng)提出便立刻受到白宮的高度重視。

需要指出的是，6位科學(xué)家一開(kāi)始提出的腦活動(dòng)計(jì)劃是很謹(jǐn)慎的，他們建議在進(jìn)行斑馬魚(yú)、小鼠和大鼠實(shí)驗(yàn)之前，先從一些簡(jiǎn)單的生物實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，包括蠕蟲(chóng)、果蠅和水蛭等。但白宮科學(xué)與技術(shù)政策辦公室官員鼓勵(lì)這些學(xué)者“提出更遠(yuǎn)大的目標(biāo)”，于是，這一項(xiàng)目后來(lái)擴(kuò)展到對(duì)人類(lèi)大腦活動(dòng)圖譜的繪制，以及對(duì)腦部疾病干預(yù)可能性的研究。

對(duì)于奧巴馬政府而言，選擇科學(xué)上的突破相對(duì)容易得到兩黨和全國(guó)人民的支持，也是阻力較小的。

誰(shuí)將參與？

“腦計(jì)劃”項(xiàng)目將通過(guò)公私機(jī)構(gòu)共同參與的方式完成，啟動(dòng)資金高達(dá)1億多美元。

美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）將極有可能主導(dǎo)該項(xiàng)目的研發(fā)，其在2014財(cái)年為“腦計(jì)劃”投入約4000萬(wàn)美元，該機(jī)構(gòu)下屬的15個(gè)研究所和中心將參與其中。美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)將提供2000萬(wàn)美元，用于開(kāi)發(fā)分子尺度的探測(cè)裝置，力爭(zhēng)能感知并記錄神經(jīng)網(wǎng)活動(dòng)，并通過(guò)“大數(shù)據(jù)”技術(shù)增進(jìn)對(duì)大腦思維、情感、記憶等活動(dòng)的理解。美國(guó)軍方也參與其中，國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局計(jì)劃投入5000萬(wàn)美元，著重開(kāi)發(fā)一系列能捕捉、處理神經(jīng)元和染色體活動(dòng)狀態(tài)的工具，建立相應(yīng)的信息處理系統(tǒng)和修復(fù)機(jī)制，以期在士兵遭遇應(yīng)激壓力、腦損傷、記憶損失等問(wèn)題時(shí)協(xié)助診斷和治療。

在私營(yíng)機(jī)構(gòu)中，一些相關(guān)研究項(xiàng)目在“腦計(jì)劃”正式啟動(dòng)前就已起步。例如艾倫腦科學(xué)研究所在去年3月啟動(dòng)為期10年、旨在理解大腦活動(dòng)的項(xiàng)目，每年將為此提供6000多萬(wàn)美元。霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所于2006年啟動(dòng)主要研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新園區(qū)，每年將提供至少3000萬(wàn)美元的資助。

上述項(xiàng)目都將融入“腦計(jì)劃”之中。此外，科維理基金會(huì)將在今后10年內(nèi)每年提供約400萬(wàn)美元資金，索爾克生物研究所將總共提供2800多萬(wàn)美元，支持部分“腦計(jì)劃”項(xiàng)目。供至少3000萬(wàn)美元的資助。

“腦計(jì)劃”的核心是什么？

搶占腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，是美國(guó)此次出臺(tái)“腦計(jì)劃”的深層次動(dòng)機(jī)。

對(duì)人類(lèi)健康而言，人腦的復(fù)雜程度、發(fā)揮的作用是其他任何器官無(wú)法比擬的。理解人腦的運(yùn)行機(jī)制不但有助于帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥（即老年癡呆癥）等腦部疾病的診斷和治療，同時(shí)還可揭示人腦的高能效、高可靠性之謎，對(duì)人工智能研發(fā)具有重大作用，有助于破譯人機(jī)界面智能化的世紀(jì)難題，開(kāi)發(fā)全新的信息處理系統(tǒng)。

有鑒于此，腦科研被發(fā)達(dá)國(guó)家視為科學(xué)研究“皇冠上的明珠”，成為近20年來(lái)發(fā)展最快的學(xué)科之一。誰(shuí)能率先登頂，不但可以收獲可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，更有望在科學(xué)創(chuàng)新上獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。因此，歐美國(guó)家紛紛一擲千金，相繼出臺(tái)新的腦科研計(jì)劃。

目前人類(lèi)大腦研究領(lǐng)域處于何種階段？

科學(xué)界對(duì)大腦工作機(jī)制的認(rèn)知幾乎是空白。美國(guó)加州理工學(xué)院腦成像中心負(fù)責(zé)人、神經(jīng)科學(xué)教授拉爾夫·阿道夫說(shuō)：“我們不了解任何一個(gè)單個(gè)機(jī)體的大腦工作機(jī)制，就連只有302個(gè)神經(jīng)元的小蟲(chóng)，我們目前也沒(méi)法了解它的神經(jīng)體系?！?/p>

科維理納米系統(tǒng)科學(xué)家、加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究院負(fù)責(zé)人保羅·韋斯說(shuō)，目前通過(guò)功能磁共振成像（fMRI）等方法，已經(jīng)可以在在低分辨度情況下記錄大腦。

“腦計(jì)劃”將面臨什么挑戰(zhàn)？

“腦計(jì)劃”雄心勃勃，執(zhí)行起來(lái)卻可能困難重重。

首先是技術(shù)上的難題。人腦由錯(cuò)綜交織的神經(jīng)元構(gòu)成，科學(xué)家承認(rèn)，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)對(duì)大腦的探索才剛剛觸及這個(gè)巨大科學(xué)挑戰(zhàn)的表層。這類(lèi)研究的慣例是從動(dòng)物模型出發(fā)，動(dòng)物研究當(dāng)前的最高水平是可以同時(shí)從約1000個(gè)神經(jīng)元中取樣，但人腦有850億到1000億個(gè)神經(jīng)元。倫理方面的擔(dān)憂(yōu)也不言而喻?！澳X計(jì)劃”中的一些技術(shù)設(shè)想如果實(shí)現(xiàn)，便可用于操縱神經(jīng)元，這不僅讓人擔(dān)心會(huì)產(chǎn)生“讀心術(shù)”，還對(duì)大腦是否被控制感到疑慮。

中國(guó)神經(jīng)科學(xué)界有何反應(yīng)？

國(guó)內(nèi)一些神經(jīng)科學(xué)家正在探討在中國(guó)做類(lèi)似的神經(jīng)科學(xué)計(jì)劃的可能性，一個(gè)很初步的看法是：這件事如果要在國(guó)內(nèi)推動(dòng)的話(huà)，就要考慮中國(guó)在這方面有哪些優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)上，中國(guó)在神經(jīng)科學(xué)方面有很強(qiáng)的積累。即使在文革期間，張香桐、韓濟(jì)生等前輩科學(xué)家借針刺麻醉繼續(xù)推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)。另外，中國(guó)在納米科學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科比較有基礎(chǔ)，在靈長(zhǎng)類(lèi)、人腦疾病，特別是罕見(jiàn)病遺傳病方面的研究資源十分豐富，在整合國(guó)家資源、有組織的大規(guī)模學(xué)科交叉研究方面也有一定經(jīng)驗(yàn)。無(wú)論中國(guó)今后在腦科學(xué)計(jì)劃方面做什么、怎么做，都需要整合神經(jīng)科學(xué)、納米、計(jì)算、合成生物學(xué)等多方面的資源。

此次“腦計(jì)劃”，美國(guó)科學(xué)家表示中國(guó)科學(xué)界不應(yīng)缺席，“全球合作對(duì)于這一項(xiàng)目非常重要，中國(guó)在納米科學(xué)研究領(lǐng)域的成就非常突出。我們希望向全世界開(kāi)放數(shù)據(jù)，建立一個(gè)向全球開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)?！?/p>