美國“腦計劃”實施特點分析及啟示

祖 勉 王 瑛 劉 偉 辛澤西 王 磊*

1 軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院衛(wèi)生勤務(wù)與血液研究所 北京 100850 2 中國人民解放軍61221部隊 北京 100091

美國“腦計劃”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN Initiative）是由白宮科學(xué)技術(shù)政策辦公室發(fā)起的一項政府與民間聯(lián)合支持的研究計劃，被稱為美國推進(jìn)對人類大腦功能整體理解的“登月計劃”[1]。美國“腦計劃”通過推動創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)開展大腦研究，旨在研究大腦的工作機(jī)制以徹底更新人類對大腦的理解，繪制大腦動態(tài)圖譜以顯示單細(xì)胞在復(fù)雜神經(jīng)回路中的時空互作，以及針對無法治愈的大腦疾病開發(fā)新療法。美國“腦計劃”的獨特性是以研究健康大腦的工作機(jī)制為首要科學(xué)目標(biāo)，而不限于對特定疾病的重點關(guān)注，通過探索保持群體共性和個性背后的神經(jīng)科學(xué)機(jī)制，最終提高人類對自身的認(rèn)知。美國“腦計劃”在戰(zhàn)略規(guī)劃布局、實施進(jìn)度安排、主要研究方向、項目組織管理等方面做了大量周密而細(xì)致的工作，使其平穩(wěn)進(jìn)入茁壯成長的新階段，具有較高的借鑒價值。文章希望通過介紹美國“腦計劃”，為當(dāng)前我國腦計劃的新啟航提供一些有益的啟示和思考。

1 組織實施進(jìn)展

美國“腦計劃”自 2014年啟動，經(jīng)過近 10年發(fā)展，由以美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）為核心構(gòu)建自上而下的多層次組織管理網(wǎng)絡(luò)，資助開展了一系列科研項目，取得了一系列矚目成就。其在 2019年后的新發(fā)展階段布局和陸續(xù)啟動的一系列大型變革性腦科學(xué)項目將產(chǎn)生重要數(shù)據(jù)資源，為疾病診治提供強大的知識平臺和技術(shù)支撐，最終將加速美國“腦計劃”目標(biāo)的實現(xiàn)。

1.1 發(fā)展歷程

2011年 9月，在美國科維理基金會、艾倫腦科學(xué)研究所和蓋茨基金會共同贊助的會議上，美國哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)技術(shù)中心主任拉斐爾?尤斯特提出美國“腦計劃”雛形：通過開發(fā)新技術(shù)追蹤大腦功能連接活動[2]。2013年 4月，時任總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動“腦計劃”，以加快新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，繪制出大腦中每個神經(jīng)元的每個動作，并在后續(xù)經(jīng)過了相關(guān)學(xué)科科學(xué)家集中征集意見和反復(fù)辯論。2014年 6月，NIH“腦計劃”工作組提出了“以實現(xiàn)科學(xué)性和倫理性愿景為目標(biāo)”的“腦計劃”戰(zhàn)略報告《2025年腦科學(xué)：一個科學(xué)愿景》（BRAIN 2025: A Scientific Vision，BRAIN 2025），強調(diào)注重創(chuàng)新技術(shù)在神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究等方面的應(yīng)用。2019年 10月，“腦計劃”2.0（BRAIN 2.0）工作組提出了中期戰(zhàn)略報告《美國“腦計劃”2.0：從細(xì)胞到神經(jīng)回路，再到治療》（The BRAIN Initiative? 2.0: From Cells to Circuits, Toward Cures，BRAIN 2.0），進(jìn)一步明確未來腦科學(xué)研究的優(yōu)先事項和投資事項（表1）。2022年 9月，美國“腦計劃”啟動部分 BRAIN 2.0 項目：細(xì)胞圖譜網(wǎng)絡(luò)（BICAN）和可用于精準(zhǔn)訪問腦細(xì)胞的設(shè)備，其目標(biāo)是加強對大腦細(xì)胞類型及其訪問工具的理解，以幫助進(jìn)一步解碼大腦復(fù)雜的工作機(jī)制。

表1 美國“腦計劃”發(fā)布的戰(zhàn)略報告Table 1 Strategic reports of the US BRAIN Initiative

1.2 組織管理

美國“腦計劃”是一項“自上而下”設(shè)計的國家型科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，分為戰(zhàn)略規(guī)劃和組織實施兩個層次（圖1）。①戰(zhàn)略規(guī)劃層面。NIH 作為美國“腦計劃”的依托單位，其院長弗朗西斯·柯林斯作為美國“腦計劃”的領(lǐng)導(dǎo)者，主導(dǎo)整體戰(zhàn)略規(guī)劃和中期戰(zhàn)略報告的制定和實施。NIH 院長牽頭召集領(lǐng)域內(nèi)頂級科學(xué)家組建 NIH 院長咨詢委員會（ACD）的“腦計劃”高級別工作組 2.0，內(nèi)設(shè)“腦計劃”神經(jīng)倫理亞組，作為中堅力量和智囊團(tuán)掌舵“腦計劃”的戰(zhàn)略方向與落地實施。其中“腦計劃”高級別工作組 2.0 負(fù)責(zé)在 BRAIN 2025 報告框架下評估“腦計劃”進(jìn)展，明確用于解析腦回路工作機(jī)制的關(guān)鍵工具和需持續(xù)資助的有價值研究領(lǐng)域；“腦計劃”神經(jīng)倫理亞組負(fù)責(zé)評估當(dāng)前研究相關(guān)的社會倫理影響，為美國“腦計劃”制定神經(jīng)倫理發(fā)展路線圖。②組織實施層面。NIH 共有 10 個研究所/中心（ICs）作為“腦計劃”的管理主體，各個 ICs 代表與聯(lián)邦成員代表等組建“腦計劃”多理事會工作組和神經(jīng)倫理學(xué)工作組，ICs 負(fù)責(zé)管理美國“腦計劃”的國會撥款，多理事會工作組負(fù)責(zé)長期監(jiān)督“腦計劃”資助項目的實施，并確?！澳X計劃”的發(fā)展方向不偏離 BRAIN 2025 的長期愿景，負(fù)責(zé)在發(fā)布資助公告前對新項目進(jìn)行“初步”概念審查，并確保“腦計劃”的所有ICs咨詢委員會知悉“腦計劃”的項目資助及其進(jìn)展情況，以便于其進(jìn)行二次審查和正式批復(fù)；神經(jīng)倫理學(xué)工作組負(fù)責(zé)明確研究中的倫理問題和預(yù)測倫理挑戰(zhàn)，向研究人員提供倫理學(xué)咨詢，資助神經(jīng)倫理研究項目和發(fā)布倫理問題指南。

圖1 美國“腦計劃”的組織架構(gòu)Figure 1 Organization structure of the US BRAIN Initiative

1.3 資助項目

（1）已有資助項目。美國“腦計劃”資助的科研項目包括資助機(jī)會（funding opportunities）類和資助獎（funded awards）類。①資助機(jī)會類項目。以“資助機(jī)會公告”（funding opportunity announcements，F(xiàn)OAs）形式發(fā)布。官網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，截至 2022年 10月，67 項 FOAs 處于開放狀態(tài)，200 項 FOAs 已結(jié)束。NIH 既是美國“腦計劃”的管理機(jī)構(gòu)，也是項目主要資助機(jī)構(gòu)，其他資助機(jī)構(gòu)包括美國國家科學(xué)基金會（NSF）、美國情報高級研究計劃局（IARPA）、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國西蒙斯基金會和美國科維理基金會，其中 NIH 資助的 FOAs 數(shù)量最多，其次為 NSF（表2）。②資助獎類項目。共計 1 137 項，從 2014年起資助項目數(shù)量逐年遞增，直至 2018年達(dá)峰，2019年稍有回落，從 2020年起繼續(xù)保持上升趨勢（圖2）。前 15 位承研機(jī)構(gòu)以高校為主，其中美國斯坦福大學(xué)（承研項目 42 項）高居榜首，美國麻省理工學(xué)院和麻省綜合醫(yī)院（承研項目均為 36 項）位居其次，美國艾倫腦科學(xué)研究所（承研項目 26 項）和冷泉港實驗室（承研項目 20 項）亦位列其中（圖3）。

圖3 美國“腦計劃”資助的資助獎類項目的主要承研機(jī)構(gòu)（前15位）Figure 3 Top 15 organizations responsible for funded awards of the US BRAIN Initiative

表2 美國“腦計劃”資助的資助機(jī)會類項目數(shù)Table 2 Number of FOA projects from funding agencies of the US BRAIN Initiative

圖2 2014—2021財年美國“腦計劃”資助的資助獎類項目數(shù)量Figure 2 Project numbers of funded awards for Fiscal Year 2014–2021 of the US BRAIN Initiative

（2）擬開展項目。根據(jù) BRAIN 2.0 發(fā)展規(guī)劃，下一步將推進(jìn)以下 5 個可產(chǎn)生重要數(shù)據(jù)資源的大型項目：①“為認(rèn)識腦功能和腦功能障礙性疾病提供細(xì)胞特異性解決方案”項目。實現(xiàn)可永久標(biāo)記任何生物體的細(xì)胞群，通過操縱特定細(xì)胞類型可逆調(diào)控細(xì)胞功能。②“人腦細(xì)胞圖集”項目。旨在生成一個大數(shù)據(jù)量和高精度的全人類大腦細(xì)胞圖集。③“小鼠大腦的連接組學(xué)”項目。全面繪制整個小鼠大腦的空間連接圖，以實現(xiàn)腦回路從“突觸”到“功能調(diào)控和行為”的跨越式研究。④“基于神經(jīng)回路的療法”項目。通過高時空精度干預(yù)特定神經(jīng)回路，實現(xiàn)大腦功能的長期改變，以緩解神經(jīng)精神類疾病癥狀。⑤“記憶和離線大腦”項目。從突觸到全腦網(wǎng)絡(luò)多個尺度，在神經(jīng)活動和行為測量之間建立關(guān)聯(lián)，建立大規(guī)模神經(jīng)活動圖譜，解析大腦從不同的記憶系統(tǒng)中檢索和利用信息的機(jī)制。

1.4 主要學(xué)術(shù)成就

截至 2022年 10月，美國“腦計劃”自啟動以來共計發(fā)表學(xué)術(shù)論文 1 248 篇。利用 Bibexcel 軟件進(jìn)行文獻(xiàn)計量，Pajek 軟件進(jìn)行文獻(xiàn)關(guān)鍵詞聚類分析，Vosviewer 軟件進(jìn)行可視化，得到美國“腦計劃”論文關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜（圖4）。結(jié)果表明，以下 7 類關(guān)鍵技術(shù)分別作為每一類的最大節(jié)點，與其他節(jié)點共現(xiàn)的總頻次最高。

圖4 美國“腦計劃”論文關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Figure 4 The US BRAIN Initiative’s publications based keyword co-appearance network

（1）功能核磁共振（fMRI）。該聚類包括靜息態(tài)功能核磁共振（resting-state fMRI）、示蹤成像（tractography）、擴(kuò)散核磁共振成像（diffusion MRI）、功能性連接（functional connetivity）、阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease）和輕度認(rèn)知損害（mild cognitive impairment，MCI）等節(jié)點。以分子水平功能核磁共振成像為代表的新型功能核磁技術(shù)發(fā)展迅速，例如，麻省理工學(xué)院首次對神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺開展分子水平功能核磁研究[4]，該技術(shù)可對光學(xué)手段無法檢測到的活體大腦區(qū)域進(jìn)行檢測，同時實現(xiàn)細(xì)胞尺度測量和無創(chuàng)性全腦成像[5]。

（2）深部腦刺激（deep brain stimulation， DBS）。該聚類包括帕金森病（Parkinson’s disease）、癲癇（epilepsy）、抑郁癥（depression）和腦電圖（EEG）等節(jié)點。美國“腦計劃”推動了 DBS 技術(shù)在抑郁癥個體化治療中的應(yīng)用。美國埃默里大學(xué)研究了對抑郁癥的 DBS 個體化治療策略，對胼胝體扣帶下區(qū)行高頻 DBS 治療難治性抑郁癥（TRD）[6]；美國凱斯西儲大學(xué)開發(fā)了手術(shù)室應(yīng)用軟件 StimVision，易于圖像引導(dǎo)病人個體化立體定位系統(tǒng)中進(jìn)行 DBS 電極靶向刺激，有助于新型 DBS 治療抑郁癥的臨床路徑開展和電極靶向效果的術(shù)后評估[7]。

（3）神經(jīng)調(diào)制（neuromodulation）。該聚類包括神經(jīng)接口（neural interface）、經(jīng)顱交流電（transcranial alternating current）、超聲聚焦（focused ultrasound）、電生理學(xué)（electrophysiology）等關(guān)鍵節(jié)點。美國“腦計劃”主要資助了新型非侵入性神經(jīng)調(diào)制技術(shù)及工具的研發(fā)，包括開發(fā)和測試?yán)闷渌问侥芰壳揖哂懈邥r空分辨率的神經(jīng)調(diào)制技術(shù)，以及對現(xiàn)有神經(jīng)調(diào)整技術(shù)的優(yōu)化。美國加州理工學(xué)院通過功能性超聲波（fUS）的腦成像數(shù)據(jù)追蹤猴腦活動變化，結(jié)合對應(yīng)任務(wù)通過深度學(xué)習(xí)算法處理，從而解碼行為意圖。該方法對大腦活動記錄的準(zhǔn)確率高且對腦組織友好，有助于中風(fēng)、癱瘓等疾病治療[8]。

（4）光遺傳學(xué)（optogenetics）。該聚類包括嗅球（olfactory bulb）、初級視覺皮層（primary visual cortex）、丘腦（thalamus）、鈣成像（calcium imaging）、雙光子顯微鏡（twophoton microscopy）等節(jié)點。光遺傳學(xué)技術(shù)是調(diào)制神經(jīng)元活動的強大工具之一，美國“腦計劃”資助的新型光遺傳學(xué)技術(shù)項目在對不同神經(jīng)元群體“多色”光遺傳控制方面取得了重大進(jìn)展。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、密歇根大學(xué)和紐約大學(xué)的研究人員通過聯(lián)合開發(fā)一種結(jié)構(gòu)更緊湊、可擴(kuò)展和侵入性更小的柔性聚合物神經(jīng)探針陣列，突破了傳統(tǒng)光遺傳學(xué)技術(shù)僅能通過單色光控制一種神經(jīng)元類型的局限，有助于闡釋神經(jīng)環(huán)路的細(xì)胞機(jī)制，為創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和阿爾茨海默病提供了潛在治療方法[9]。

（5）神經(jīng)成像（neuroimaging）。該聚類包括神經(jīng)元（neuron）、連接組學(xué)（connectomics）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（neural networks）等節(jié)點。神經(jīng)影像學(xué)在大多數(shù)腦部疾病的治療中發(fā)揮了重要作用，人腦微觀結(jié)構(gòu)成像、結(jié)構(gòu)—功能成像相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速[10]。2020年，由 IARPA 資助的美國“腦計劃”項目 MICrONS 取得了突破性進(jìn)展。美國艾倫研究所開發(fā)了一種通過高通量透射電子顯微鏡繪制神經(jīng)元環(huán)路的自動成像管道，可支持在跨腦區(qū)皮質(zhì)微環(huán)路水平上獲取數(shù)據(jù)，該成像技術(shù)的適用性較強，既適用于大型研究中心，也適用于小型獨立實驗室[11]。

（6）功能成像（functional imaging）。該聚類包括平行成像（parallel imaging）、深度學(xué)習(xí)（deep learning）、圖像重建（image reconstruction）等節(jié)點。美國“腦計劃”資助開發(fā)了高密度腦電圖等[12]新型功能成像技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)動態(tài)繪制信號來源和大腦底層網(wǎng)絡(luò)，未來可能產(chǎn)生動態(tài)功能成像領(lǐng)域的新范式。由 NIH、NSF、科維理基金會和 DARPA 聯(lián)合資助的集成神經(jīng)光子學(xué)國際合作項目取得進(jìn)展，該項目集成光學(xué)、電子學(xué)和光遺傳學(xué)的技術(shù)進(jìn)展，在腦組織快速深度功能成像方面顯示了巨大應(yīng)用潛力，可能實現(xiàn)對特定腦區(qū)重要結(jié)構(gòu)的活動進(jìn)行深度密集記錄[13]。

（7）組織工程（tissue engineering）。該聚類包括生物材料（biomaterials）、生物工程（bioengineering）和神經(jīng)創(chuàng)傷（neurotrauma）?；钚陨镫姌O的設(shè)計和引入大大降低了腦機(jī)接口存在的持續(xù)排異反應(yīng)，改善了神經(jīng)活性界面的有效性。美國賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)了一種由微型水凝膠柱構(gòu)成的微組織工程化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（micro-TENNs）[14]，其獨特性在于，微型水凝膠柱由一系列生物材料構(gòu)成，具有可控的機(jī)械和生物學(xué)特性，可誘導(dǎo)神經(jīng)元和軸突在細(xì)胞外基質(zhì)的支持下形成軸突束排列的三維“模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”[15]，可用于神經(jīng)修復(fù)與再生。

2 美國“腦計劃”實施特點分析

美國“腦計劃”自啟動以來，通過緊前布局總體戰(zhàn)略愿景框架、部署細(xì)化研究方向、注重跨部門和多地區(qū)合作、營造多學(xué)科融合和倫理道德保證的科研環(huán)境，使得項目穩(wěn)步推進(jìn)，在中期進(jìn)行了戰(zhàn)略適度調(diào)整，明確了新階段的重點方向和遠(yuǎn)近目標(biāo)，使其在先進(jìn)技術(shù)開發(fā)和腦病治療等領(lǐng)域取得了一系列引領(lǐng)性創(chuàng)新。

2.1 注重以發(fā)展先進(jìn)技術(shù)為切入點

美國“腦計劃”提出，技術(shù)本身及其衍生出的一系列工具將有助于認(rèn)識神經(jīng)系統(tǒng)在健康和疾病中發(fā)揮的作用，這也是實現(xiàn) BRAIN 2025 愿景的最佳方式。美國“腦計劃”資助的研究論文以功能核磁、深部腦刺激、光遺傳學(xué)等先進(jìn)技術(shù)[16]為研究主題，將其轉(zhuǎn)化為人類認(rèn)識大腦和腦病治療的有用工具，凸顯了美國“腦計劃”對發(fā)展先進(jìn)技術(shù)的重視。該計劃通過發(fā)布“優(yōu)化和驗證新型神經(jīng)科學(xué)技術(shù)和方法（PA-18-871和PA-18-870）”的資助機(jī)會類項目等方式，積極推進(jìn)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的開發(fā)，在優(yōu)先研究領(lǐng)域內(nèi)取得諸多技術(shù)突破。在細(xì)胞水平，通過開發(fā)基于病毒載體的 CRISPRs[17,18]和 TALENs，或基于非病毒載體的抗體靶向脂質(zhì)體，促進(jìn)面向特異細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因技術(shù)開發(fā)，提高將外源基因序列整合至基因組的效率。在動物水平，結(jié)合現(xiàn)代染料示蹤技術(shù)、遺傳標(biāo)記及整體成像技術(shù)（如美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的突破性大腦透視技術(shù) CLARITY[19,20]），為研究神經(jīng)元之間的長距離連接和神經(jīng)環(huán)路，建立完整、真實的大腦結(jié)構(gòu)三維圖像提供了可能性。

2.2 鼓勵跨部門協(xié)同推進(jìn)“腦計劃”實施

美國政府鼓勵美國國家機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)研究組織、非營利性基金會及企業(yè)跨部門協(xié)同合作、共同推動，構(gòu)建了多元合作組織管理模式，以順利推進(jìn)“腦計劃”。西蒙斯基金會、艾倫腦科學(xué)研究所、FDA、IARPA、科維理基金會、NIH、NSF 和電氣與電子工程師協(xié)會腦技術(shù)社區(qū)（IEEE Brain）共同組建了“腦計劃”聯(lián)盟（BRAIN Initiative Alliance，BIA），有力推進(jìn)了“腦計劃”成員之間的跨部門協(xié)同。由基金會、大學(xué)、12 家企業(yè)和 2 個社會團(tuán)體組織構(gòu)成的非聯(lián)邦機(jī)構(gòu)，在推動“腦計劃”高新技術(shù)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮了重要作用。例如，科維理基金會作為“腦計劃”發(fā)起者之一，通過與白宮溝通推進(jìn)“腦計劃”成形、在“腦計劃”框架下投資組建神經(jīng)科學(xué)研究所和每年提供約 400 萬美元經(jīng)費以資助“腦計劃”項目等方式，對美國“腦計劃”有不容小覷的助推作用。

2.3 建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)共享平臺

為切實推動多學(xué)科交叉和新技術(shù)開發(fā)，美國“腦計劃”重視建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的研究數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)可利用化為目標(biāo)，通過設(shè)置“相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定”研究項目（RFA-MH-20-128），制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立可容納多個研究團(tuán)隊數(shù)據(jù)的存儲架構(gòu)，以及開發(fā)數(shù)據(jù)分析和可視化軟件，最終構(gòu)建形成“腦計劃”的信息架構(gòu)。美國“腦計劃”官網(wǎng)及時分享腦科學(xué)最新研究成果，艾倫研究所以 brain-map.org 網(wǎng)站作為共享平臺，向科學(xué)家和公眾提供人腦數(shù)字圖譜集；美國“腦計劃”資助的大型合作項目細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）建立了一個全面的大腦細(xì)胞類型資源平臺[21]，可通過分子水平、解剖學(xué)和功能學(xué)多個維度對外傳播和共享魚、小鼠[22]及人類的大腦細(xì)胞數(shù)據(jù)。此外，美國“腦計劃”制定了清晰開放的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，包括：來自美國“腦計劃”資助項目的數(shù)據(jù)必須在期刊首次發(fā)表時公開分享；數(shù)據(jù)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)格式存儲于 NIH 維護(hù)的中央服務(wù)器上，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)涉及數(shù)據(jù)收集、使用、儲存和訪問多個環(huán)節(jié)；盡可能多地存儲原始數(shù)據(jù)，將成果適當(dāng)分配給數(shù)據(jù)采集者等，有效提高了成員單位的協(xié)作效率。

2.4 利用全球資源廣泛開展國際合作

隨著美國“腦計劃”研究的不斷深入，美國越來越重視國際合作對于知識共享和成果轉(zhuǎn)化的重要作用，繼而在多個國家之間開展全球性的項目合作。美國“腦計劃”的國際成員包括澳大利亞健康與醫(yī)學(xué)研究委員會、加拿大腦基金會和丹麥靈北腦科學(xué)基金會等。美國“腦計劃”啟動以來，美國與全球多個國家聯(lián)合發(fā)表科研論文，與中國、韓國、德國、英國、以色列和澳大利亞等國家建立了密切的合作關(guān)系（圖5）。包括中國科學(xué)院北京基因組研究所、清華大學(xué)-北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心、鄭州大學(xué)等多個中國科研機(jī)構(gòu)與美國在神經(jīng)遞質(zhì)的熒光探針設(shè)計、構(gòu)建輕度認(rèn)知損害的大腦網(wǎng)絡(luò)等方向合作發(fā)表多篇研究論文。特別在神經(jīng)聯(lián)結(jié)圖譜研究方面，華中科技大學(xué) Britton Chance 生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究中心駱清銘團(tuán)隊致力于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)高速腦成像新技術(shù)方法研究，其發(fā)明的雙光子鈣成像方法（如高分辨熒光信號微光學(xué)分層成像法 HD-fMOST）可實現(xiàn)在單個神經(jīng)元水平的全腦功能投射成像[23,24]，其獲得 NIH 資助并與美國實驗室合作開展了大量研究工作，在小鼠大腦的基本網(wǎng)絡(luò)（皮質(zhì)—基底神經(jīng)節(jié)—丘腦—皮質(zhì)神經(jīng)環(huán)路）[25]、小鼠初級運動皮層的解剖學(xué)研究[22]、單個神經(jīng)元形態(tài)多樣性與細(xì)胞類型定義[26]等方面取得突破性進(jìn)展。此外，駱清銘團(tuán)隊還參與了美國“腦計劃”細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）項目的研究，對哺乳動物初級運動皮層開展多模式細(xì)胞普查并繪制圖譜[21]。

圖5 美國“腦計劃”科研論文的國家合作網(wǎng)絡(luò)Figure 5 The US BRAIN Initiative’s publications based national cooperation network

美國“腦計劃”資助獎項目除分布于美國本土，還有部分位于英國（倫敦大學(xué)學(xué)院）、法國（皮埃爾和瑪麗居里大學(xué)、艾克斯-馬賽大學(xué)）、德國（慕尼黑工業(yè)大學(xué)、馬克斯普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所）、荷蘭（烏特勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心）和以色列（以色列特拉維夫大學(xué)、耶路撒冷希伯來大學(xué)）等①，上述項目利用歐洲大腦研究基礎(chǔ)設(shè)施 EBRAINS 提供的開放性的計算工具、模型和數(shù)據(jù)，整合跨學(xué)科的腦科學(xué)資源，建立理論框架，加深了對神經(jīng)認(rèn)知的理解。

3 相關(guān)啟示

2016年 4月6日，我國正式批復(fù)“科技創(chuàng)新2030—‘腦科學(xué)與類腦研究’重大項目”立項。如何把握當(dāng)前腦科學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇，培育和儲備在神經(jīng)科學(xué)和類腦研究尖端科技領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，是當(dāng)前面臨的重要挑戰(zhàn)。美國“腦計劃”的發(fā)展模式對我國腦科學(xué)研究的創(chuàng)新能力打造和高質(zhì)量研究成果產(chǎn)出具有一定參考意義。

3.1 緊貼國家戰(zhàn)略需求加強頂層設(shè)計

頂層設(shè)計對于大科學(xué)計劃的順利實施和成果交付具有舉足輕重的作用。NIH 提出的整體戰(zhàn)略規(guī)劃報告（BRAIN 2025）和中期戰(zhàn)略報告（BRAIN 2.0）對“腦計劃”在不同時期的實施進(jìn)行了戰(zhàn)略規(guī)劃，明確了優(yōu)先研究領(lǐng)域，并制定了短期和長期規(guī)劃，形成了規(guī)劃制定、實施執(zhí)行、監(jiān)測評估和更新迭代國家技術(shù)戰(zhàn)略鏈條。美國高端智庫還推出系列戰(zhàn)略報告，如波托馬克政策研究所于 2013年 4月發(fā)布的《神經(jīng)技術(shù)未來研究：21世紀(jì)引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)革命的神經(jīng)科學(xué)和技術(shù)發(fā)展路線圖》等，也對美國腦科學(xué)發(fā)展路線圖的形成發(fā)揮了重要戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。

因此，提出以下建議：① 我國腦科學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，應(yīng)緊貼“健康中國”戰(zhàn)略需求，可借鑒美國“腦計劃”戰(zhàn)略制定、實施和監(jiān)測的模式，并參考“美國國家科技戰(zhàn)略”的實施政策路線圖[27]，完善符合我國國情的腦科學(xué)技術(shù)戰(zhàn)略框架，進(jìn)一步提升我國科技項目的頂層設(shè)計和系統(tǒng)謀劃能力；② 招募多領(lǐng)域跨學(xué)科科學(xué)家評估我國腦科學(xué)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析發(fā)展趨勢、機(jī)會和挑戰(zhàn)等關(guān)鍵要素，并對實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)和優(yōu)先發(fā)展事項提出建議；③ 建立健全可重復(fù)、透明的監(jiān)測和評估程序，將動態(tài)評估結(jié)果作為新階段戰(zhàn)略修訂的依據(jù)，循環(huán)迭代，以使戰(zhàn)略適應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的新趨勢。

3.2 注重并大力發(fā)展腦科學(xué)相關(guān)生物原創(chuàng)技術(shù)

科技創(chuàng)新是制勝未來的決定因素，世界各國圍繞腦科技這一制高點的競爭日趨激烈。美國“腦計劃”提出以發(fā)展創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)工具為首要切入點，包括開發(fā)標(biāo)記、記錄和操縱神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的工具、改進(jìn)技術(shù)，以從多個層次繪制神經(jīng)環(huán)路圖、開發(fā)用于大規(guī)模監(jiān)測神經(jīng)活動的方法及可精準(zhǔn)改變神經(jīng)環(huán)路動態(tài)的干預(yù)工具等。其資助的美國“腦計劃”細(xì)胞圖譜網(wǎng)絡(luò)（BICAN）將可能改變后人進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究范式，創(chuàng)新研究成果的轉(zhuǎn)化還將引領(lǐng)神經(jīng)系統(tǒng)疾病診療的新模式。我國也應(yīng)重視并大力發(fā)展腦科學(xué)相關(guān)生物原創(chuàng)技術(shù)。

結(jié)合我國當(dāng)前正處于從技術(shù)應(yīng)用向原始創(chuàng)新的轉(zhuǎn)型發(fā)展關(guān)鍵期的基本國情，提出以下建議：①重視神經(jīng)科學(xué)理論基礎(chǔ)研究。建立對腦科學(xué)新理論和新概念研究的長期資助機(jī)制，還應(yīng)注重腦科學(xué)與信息技術(shù)、材料科學(xué)的結(jié)合發(fā)展與迭代，打造腦科學(xué)和類腦研究發(fā)展新范式，以理論研究創(chuàng)新推進(jìn)對生物原創(chuàng)技術(shù)的培育。②加強靈長類動物大腦研究。中國具有豐富的靈長類動物資源的天然優(yōu)勢，大力發(fā)展適用于靈長類腦研究的新技術(shù)和新方法，或利用美國“腦計劃”開發(fā)的新技術(shù)研究靈長類大腦的連接、發(fā)育，可能在靈長類腦研究中取得突破性成果[16]。③鼓勵培育顛覆性技術(shù)。應(yīng)在腦科學(xué)和類腦研究領(lǐng)域設(shè)置一批概念原創(chuàng)的非主流項目，對有顛覆性潛力的技術(shù)實行“概念驗證—項目批復(fù)—小額啟動—持續(xù)增資—定期評估”的資助機(jī)制。

3.3 緊前部署“腦計劃”衍生的科學(xué)數(shù)據(jù)治理研究

數(shù)字時代的來臨使得數(shù)據(jù)治理成為“大勢所趨”，科學(xué)數(shù)據(jù)治理在保障大科學(xué)計劃的順利實施過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。美國“腦計劃”設(shè)立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定類的專門研究項目，以促進(jìn)數(shù)據(jù)的可用和共享。在數(shù)據(jù)平臺建設(shè)方面，我國“腦計劃”資助建立了我國人腦健康多維數(shù)據(jù)庫，包括西南大學(xué)青少年人腦核磁共振縱向追蹤數(shù)據(jù)庫等，但我國在數(shù)據(jù)共享方面普遍存在所有權(quán)不明確、標(biāo)準(zhǔn)不健全和安全風(fēng)險管控和責(zé)任缺乏權(quán)威認(rèn)證等問題[28]。

因此，建議：① 我國“腦計劃”在運行初期應(yīng)盡早開展科學(xué)數(shù)據(jù)治理的頂層設(shè)計；② 建立包容性強的數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，還應(yīng)設(shè)置課題專門研究數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和統(tǒng)一問題；③ 建立腦科學(xué)數(shù)據(jù)匯交平臺，對所有研究項目提出數(shù)據(jù)匯交要求，并將項目承研機(jī)構(gòu)是否保質(zhì)保量地提交研究數(shù)據(jù)作為項目評估結(jié)果的重要考核指標(biāo)。

3.4 探索戰(zhàn)略性政企合作模式

政企合作伙伴關(guān)系是一種需要政府和產(chǎn)業(yè)部門通力合作，以解決共同問題為目標(biāo)的新型合作模式，在優(yōu)化資源配置、降低新型技術(shù)的研發(fā)成本、推動技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用和控制風(fēng)險方面具有獨特優(yōu)勢，已成為一種重要的創(chuàng)新政策工具。美國“腦計劃”資助公私合作項目（public-private partnerships）吸引了美國波士頓科學(xué)公司和貝萊德微系統(tǒng)公司等美國國內(nèi)知名尖端科技公司的參與，該項目通過創(chuàng)建合作研究協(xié)議和保密協(xié)議，簡化研究機(jī)構(gòu)與設(shè)備制造商開展臨床研究的法律和行政審批程序，有力推動了新型神經(jīng)調(diào)制技術(shù)和工具的臨床轉(zhuǎn)化。我國“腦計劃”的參與機(jī)構(gòu)除了中國科學(xué)院、中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院、軍事科學(xué)院，以及相關(guān)高等院校等，近年來民營研究機(jī)構(gòu)也異軍突起，發(fā)展迅速，如美國國際數(shù)據(jù)集團(tuán)（international data group，IDG）麥戈文腦研究院已與國內(nèi) 4 家單位聯(lián)合建立研究院，陳天橋雒芊芊腦科學(xué)研究院在上海投資實驗室支持腦科學(xué)研究，以及上海腦虎科技有限公司、BrainCo 強腦科技等初創(chuàng)企業(yè)，民營力量在我國“腦計劃”框架下的發(fā)展空間可進(jìn)一步擴(kuò)大。

在以上已有發(fā)展基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建議：① 完善民營力量的參與機(jī)制、成果分配機(jī)制和激勵機(jī)制，簡化科研轉(zhuǎn)化的業(yè)務(wù)審批流程，打通科研轉(zhuǎn)化堵點；② 政府科技主管行政部門通過會商等形式與基金會建立溝通機(jī)制，制定小型企業(yè)創(chuàng)新培育計劃，培育一批尖端技術(shù)創(chuàng)新型小企業(yè)，使之可為我國“腦計劃”實施貢獻(xiàn)力量。

3.5 構(gòu)建跨學(xué)科交叉融合研究網(wǎng)絡(luò)

跨學(xué)科交叉是取得重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生引領(lǐng)性成果的重要方式，推動跨學(xué)科交叉研究是提升原始創(chuàng)新能力的重要途徑。美國“腦計劃”匯集眾多學(xué)科領(lǐng)域?qū)＜胰缁瘜W(xué)家、物理學(xué)家、工程師與神經(jīng)科學(xué)家開展多學(xué)科交叉研究，優(yōu)先資助“整合方法”研究領(lǐng)域，如設(shè)置支持以跨學(xué)科探索小組的形式開展腦神經(jīng)回路研究的資助機(jī)會類項目（RFA-NS-20-029），極大推動了新技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。此外，在美國“腦計劃”框架下，NSF 與加拿大健康研究所（CIHS）、德國研究基金會（DFG）等國際機(jī)構(gòu)合作設(shè)立全球性神經(jīng)科學(xué)研究項目“下一代神經(jīng)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)”（NeuroNex）項目，將全球跨學(xué)科的研究人員聚集到一個網(wǎng)絡(luò)中，開發(fā)創(chuàng)新性、可訪問和可共享的技術(shù)和方法，以加強對神經(jīng)和認(rèn)知研究的理解。

據(jù)此建議：① 我國建立跨學(xué)科網(wǎng)絡(luò)可借鑒國際已開展的“大科學(xué)研究計劃”的設(shè)計、組織與實施經(jīng)驗，適時發(fā)起以我為主的國際腦科學(xué)計劃，設(shè)置任務(wù)導(dǎo)向式整合型項目，匯集全國乃至全球多學(xué)科科學(xué)家和工程師，從多個層次探索大腦工作原理；② 成立科研管理分支部門，專門管理交叉學(xué)科研究，并建立明確的交叉學(xué)科研究成果評估機(jī)制，包括在評價專家組中設(shè)置跨學(xué)科研究評審專業(yè)，消除專家學(xué)科偏倚對我國腦科學(xué)項目布局及評估的影響等。

3.6 加強腦科學(xué)倫理研究

腦科學(xué)與神經(jīng)技術(shù)發(fā)展引發(fā)了覆蓋隱私考慮、非人類靈長類動物模型系統(tǒng)的使用、神經(jīng)調(diào)節(jié)和增強、受試者參與腦研究和神經(jīng)科學(xué)研究的公平性等諸多神經(jīng)倫理問題，制定神經(jīng)倫理學(xué)指導(dǎo)框架可為上述問題提供有效的解決方案，確保腦科學(xué)研究的高質(zhì)量開展。美國“腦計劃”重視神經(jīng)倫理學(xué)研究，將倫理問題作為關(guān)鍵問題寫入戰(zhàn)略規(guī)劃中，BRAIN 2025 工作組和 BRAIN 2.0 工作組均設(shè)置神經(jīng)倫理小組，將神經(jīng)倫理學(xué)引入對人類大腦回路分析的整個過程，負(fù)責(zé)制定倫理研究項目指南，以及為“腦計劃”項目研究人員提供倫理咨詢。在美國“腦計劃”執(zhí)行中期，經(jīng)過神經(jīng)倫理研討會廣泛收集意見，“腦計劃”神經(jīng)倫理亞組制定了“‘腦計劃’與神經(jīng)倫理：促進(jìn)神經(jīng)科學(xué)的社會發(fā)展”報告，以應(yīng)對神經(jīng)調(diào)制工具、技術(shù)的成熟和人體應(yīng)用所衍生的一系列備受關(guān)注的倫理爭議問題。NIH 自 2017 財年開始持續(xù)資助神經(jīng)倫理類項目，研究人類腦科學(xué)科技進(jìn)展相關(guān)的核心倫理問題（RFAMH-18-500），解析意識的科學(xué)機(jī)制和倫理基礎(chǔ)。我國學(xué)者分析了我國“腦計劃”實施過程中存在的隱私、器官捐贈和歧視等社會倫理問題，并提出了“君子和而不同”等與中國傳統(tǒng)文化相符的應(yīng)對策略[29]，然而我國“腦計劃”的倫理道德框架仍需進(jìn)一步探索和完善。

因此，建議：① 我國在專家組中成立神經(jīng)倫理學(xué)工作組，制定適應(yīng)我國傳統(tǒng)文化的腦科學(xué)研究倫理框架和原則，預(yù)判神經(jīng)和類腦研究相關(guān)技術(shù)的潛在倫理風(fēng)險，制定可與腦科學(xué)研究實踐密切結(jié)合的倫理協(xié)調(diào)管理機(jī)制[30]；② 積極參與國際神經(jīng)倫理學(xué)對話，為倫理沖突提供更優(yōu)的解決方案，提升我國科研工作的質(zhì)量和國際認(rèn)可度。