歐洲人腦計(jì)劃成敗幾何

梁宇

為期十年的人腦計(jì)劃在2023年9月份結(jié)束?！蹲匀弧穼徱暳似涑删秃颓鄣臍v史。

作為由歐盟資助的最大型研究項(xiàng)目之一，歐洲人腦計(jì)劃（Human Brain Project，HBP）歷時(shí)長達(dá)10年，于2023年9月結(jié)束。HBP由近500名科學(xué)家參與，耗資約6億歐元，其宏大目標(biāo)是通過在計(jì)算機(jī)里建立大腦模型以探索其奧秘。

項(xiàng)目執(zhí)行期間，在HBP的資助下，研究發(fā)表了數(shù)千篇論文，并在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，例如創(chuàng)建了至少200個(gè)腦區(qū)的詳細(xì)三維地圖；開發(fā)了用于治療失明的腦植入物，并使用超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)記憶和意識(shí)等功能進(jìn)行建模，并推進(jìn)了各種大腦疾病的治療。

“當(dāng)項(xiàng)目開始時(shí)，幾乎沒有人相信利用大數(shù)據(jù)的潛力，以及利用大數(shù)據(jù)或超級(jí)計(jì)算機(jī)來模擬大腦復(fù)雜功能的可能性?！睔W盟委員會(huì)副總干事托馬斯 · 斯科達(dá)（Thomas Skordas）表示。

然而，幾乎從一開始，HBP就已備受爭議。該項(xiàng)目未能實(shí)現(xiàn)模擬整個(gè)人腦的目標(biāo)——許多科學(xué)家本來就認(rèn)為這個(gè)目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)。HBP多次改變研究方向，其科研成果變得“零散和拼湊”，法國國家科研中心（CNRS）的認(rèn)知科學(xué)家、研究主任伊夫 · 弗雷尼亞克（Yves Frégnac）說。在他看來，該項(xiàng)目未能提供對(duì)大腦的全面或原創(chuàng)性理解：“我沒看到整個(gè)大腦，我只看到大腦的點(diǎn)滴?！?/p>

HBP的管理人員希望通過一個(gè)名為歐洲腦研究基礎(chǔ)設(shè)施（EBRAINS）的虛擬平臺(tái)，進(jìn)一步推動(dòng)這一認(rèn)識(shí)，這個(gè)平臺(tái)是作為項(xiàng)目的一部分創(chuàng)建的。EBRAINS是一套工具和影像數(shù)據(jù)，全球的科學(xué)家都可以用它進(jìn)行模擬和數(shù)字實(shí)驗(yàn)。法國艾克斯-馬賽大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、HBP董事會(huì)成員維克多 · 吉爾薩（Viktor Jirsa）說：“如今我們手頭有了所有的工具，來構(gòu)建一個(gè)真正數(shù)字孿生大腦。”但這一領(lǐng)域的資金尚不確定。而且在其他地方正在緊鑼密鼓開展大規(guī)模昂貴的大腦項(xiàng)目時(shí)，歐洲的科學(xué)家正因他們的項(xiàng)目行將結(jié)束而沮喪。2019年加入HBP的阿姆斯特丹大學(xué)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家豪爾赫 · 梅希亞斯（Jorge Mejias）說：“我們可能趕上了最初發(fā)起對(duì)大腦興趣的浪潮，但現(xiàn)在這領(lǐng)域已經(jīng)你追我趕，我們沒時(shí)間停下來打盹?！?/p>

曲折的歷史

HBP一開始就備受爭議。2013年啟動(dòng)時(shí)，其關(guān)鍵目標(biāo)之一是開發(fā)所需的工具和基礎(chǔ)設(shè)施，以更深入地了解大腦的功能和組織及其相關(guān)疾病，同時(shí)推進(jìn)基礎(chǔ)和臨床神經(jīng)科學(xué)的小型項(xiàng)目研究。該項(xiàng)目是當(dāng)年獲得資金的兩個(gè)長期研究項(xiàng)目之一，旨在促進(jìn)歐洲產(chǎn)業(yè)發(fā)展，另一個(gè)項(xiàng)目是研究石墨烯的潛力。

HBP最初被承諾將獲得10億歐元的資金支持，但最終只獲得了6.07億歐元，其中包括來自歐盟的4.06億歐元。這些資金分四個(gè)階段發(fā)放，并分配給在每個(gè)階段競爭撥款的實(shí)驗(yàn)室。（見“人腦計(jì)劃的演變”圖。）

但HBP在第一年就遇到了麻煩。

HBP的創(chuàng)始人、前主任、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家亨利 · 馬克拉姆（Henry Markram）說，HBP將能夠在十年內(nèi)在細(xì)胞水平上重建和模擬人腦。馬克拉姆的豪言招來了神經(jīng)科學(xué)家的廣泛懷疑。但馬克拉姆認(rèn)為：“當(dāng)科學(xué)開辟新道路時(shí)，爭議自然隨之而來?！?/p>

這一高大上的目標(biāo)可能有助于HBP獲得資金支持，英國劍橋大學(xué)的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)家蒂莫西 · 奧利里（Timothy O'Leary）說：“要沒有一些有點(diǎn)離譜的雄心壯志，不清楚HBP是否能獲得資金支持?！?/p>

隨著時(shí)間的推移，馬克拉姆的領(lǐng)導(dǎo)能力受到質(zhì)疑。2014年，他和執(zhí)行委員會(huì)的其他兩名成員改變了項(xiàng)目的研究重點(diǎn)，砍掉了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的大部分研究，導(dǎo)致由18個(gè)實(shí)驗(yàn)室組成的團(tuán)隊(duì)退出了此項(xiàng)目。馬克拉姆表示，各個(gè)部門的資金分配存在爭議。作為回應(yīng)，超過150名科學(xué)家簽署了一封抗議信，敦促歐洲委員會(huì)在第二輪資金撥款之前重新考慮HBP的目標(biāo)。信中稱HBP管理不善，部分偏離其科學(xué)路線。馬克拉姆說：“很明顯，神經(jīng)科學(xué)界的一些人還未準(zhǔn)備好在同一愿景下團(tuán)結(jié)起來?！?/p>

歐盟成立了一個(gè)由獨(dú)立專家組成的委員會(huì)，審查項(xiàng)目的運(yùn)行方式并修訂其科學(xué)目標(biāo)。該委員會(huì)建議HBP重新評(píng)估并更明確地闡述其科學(xué)目標(biāo)，以及將認(rèn)知和系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)重新納入其核心計(jì)劃。2015年2月，HBP的董事會(huì)投票解散了三人執(zhí)行委員會(huì)，并啟用一個(gè)更大的董事會(huì)取而代之。

這場動(dòng)蕩使一些科學(xué)家對(duì)此項(xiàng)目感到擔(dān)憂。梅希亞斯說：“這種懷疑情緒一直縈繞在大家心頭?！?/p>

與此同時(shí)，其他地區(qū)啟動(dòng)或加快推動(dòng)了大型腦科學(xué)項(xiàng)目。美國和日本與HBP大致同一時(shí)間啟動(dòng)了腦科學(xué)項(xiàng)目，前者將持續(xù)到2026年，后者希望總共運(yùn)行15年。中國的腦計(jì)劃始于2021年，而澳大利亞和韓國的項(xiàng)目截至2023都已進(jìn)入第七年。

HBP的戲劇性事件并未隨著執(zhí)行委員會(huì)的撤換而落幕。在2016年至2020年期間，該項(xiàng)目管理層發(fā)生了數(shù)次變動(dòng)。與此同時(shí)，科研工作開始加速進(jìn)行。2016年，作為項(xiàng)目發(fā)展階段性結(jié)果，HBP啟動(dòng)了6個(gè)專門的運(yùn)營平臺(tái)，涵蓋了大腦模擬、高性能分析和計(jì)算以及神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域。

計(jì)劃是隨著時(shí)間的推移將這6個(gè)領(lǐng)域整合在一起，但最初它們“相當(dāng)各自為政”，德國尤利希研究中心的神經(jīng)科學(xué)家、HBP科學(xué)研究主任卡特琳 · 阿蒙茨（Katrin Amunts）說：“像HBP這樣龐大的項(xiàng)目意味著有個(gè)學(xué)習(xí)過程，不是一切從一開始就能夠順利運(yùn)行的?！?/p>

精彩亮點(diǎn)

撇開管理不談，HBP已經(jīng)積累了一些重要且有用的科學(xué)成果。通過創(chuàng)建和整合大約200個(gè)大腦皮層和更深層腦結(jié)構(gòu)的三維地圖，HBP科學(xué)家制作了人腦圖譜。此圖譜展示了大腦的多層次組織，從細(xì)胞和分子結(jié)構(gòu)，到其功能模塊和連接。

“人腦圖譜有點(diǎn)像谷歌地圖，但是大腦那種。”阿蒙茨在2023年3月HBP峰會(huì)的新聞發(fā)布會(huì)上說。

此圖譜使用了尸體解剖的腦數(shù)據(jù)生成了標(biāo)準(zhǔn)化地圖，考慮了不同人之間的自然差異。借助此圖譜，HBP的科學(xué)家在前額皮層中確定了6個(gè)以前未知的大腦區(qū)域，這些區(qū)域與記憶、語言、注意力和音樂處理有關(guān)。這些圖譜還關(guān)聯(lián)了與美國艾倫腦科學(xué)研究所的艾倫人類大腦圖譜中的基因表達(dá)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫描述了整個(gè)大腦的神經(jīng)元。用匹配圖譜，研究人員揭示了與抑郁癥相關(guān)的基因表達(dá)變化，與額葉皮層某一區(qū)域結(jié)構(gòu)和功能變化間的聯(lián)系。

HBP的研究人員還開發(fā)了獨(dú)特算法，可以從顯微圖像構(gòu)建大腦區(qū)域的全尺寸支架模型。利用這個(gè)工具，研究人員制作了海馬體的海馬1區(qū)域（CA1，此區(qū)域?qū)τ洃浐苤匾┑脑敿?xì)地圖，該地圖包含大約500萬個(gè)神經(jīng)元和400億個(gè)突觸。

HBP已經(jīng)將一些研究成果轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，使用大腦的個(gè)性化模型，或稱“數(shù)字孿生”，來改善癲癇和帕金森病的治療。“數(shù)字孿生是根據(jù)一個(gè)人大腦的數(shù)學(xué)表現(xiàn)，將個(gè)體的掃描與模型融合?！奔獱査_解釋道。

吉爾薩和他的同事于2019年6月啟動(dòng)了一項(xiàng)名為EPINOV的臨床試驗(yàn)，以測(cè)試使用腦掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字模型是否有助于確定癲癇的發(fā)作原因，并提高癲癇手術(shù)的成功率。EPINOV試驗(yàn)已經(jīng)在法國的11家醫(yī)院招募了356名患者。吉爾薩希望通過EBRAINS向其他研究人員提供試驗(yàn)的成像數(shù)據(jù)。

HBP最初的項(xiàng)目計(jì)劃包括開發(fā)以大腦為模型的計(jì)算系統(tǒng)。HBP的科學(xué)家們已經(jīng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做出了貢獻(xiàn)，能夠模擬大型類腦系統(tǒng)，用于測(cè)試關(guān)于大腦如何工作的想法，或控制其他硬件，如機(jī)器人或智能手機(jī)。

并非全貌

HBP項(xiàng)目的組織者和批評(píng)者都提到了貫穿此項(xiàng)目的一個(gè)致命問題：碎片化。這是神經(jīng)科學(xué)研究中長期存在的問題?！拔铱吹搅诵┓浅ｌ`巧的應(yīng)用，但你看不到多尺度整合，也沒有應(yīng)對(duì)重大問題?！?弗雷尼亞克說。

在項(xiàng)目最后三年里，HBP試圖通過將其跨學(xué)科子項(xiàng)目的技術(shù)融合到EBRAINS中來克服其碎片化。HBP的6個(gè)平臺(tái)采取了各種措施，開始開發(fā)兼容的工具和共享的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，一些團(tuán)隊(duì)重新組織以側(cè)重于特定的科學(xué)挑戰(zhàn)，而非聚焦學(xué)科?！暗性S許多多工作要做。” 吉爾薩說，“神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)與更具臨床驅(qū)動(dòng)的團(tuán)隊(duì)仍沒關(guān)聯(lián)起來?！?/p>

在一些研究人員看來，HBP分散的科學(xué)成果來源于缺乏焦點(diǎn)?！耙粋€(gè)科研項(xiàng)目持續(xù)十年，我會(huì)期望它能產(chǎn)生概念性的突破。”德國哥廷根大學(xué)的理論神經(jīng)生理學(xué)家弗雷德 · 沃爾夫（Fred Wolf）說道，但他說HBP的情況并非如此，他在簽署那封公開信后離開了HBP。

巴黎綜合神經(jīng)科學(xué)與認(rèn)知中心的神經(jīng)科學(xué)家大衛(wèi) · 哈塞爾（David Hansel）說，HBP缺乏優(yōu)先次序，合作受限，導(dǎo)致未能充分利用其規(guī)模，也未能真正將神經(jīng)科學(xué)界團(tuán)結(jié)在一個(gè)共同目標(biāo)中?！八鼪]有一個(gè)要解決的、明確合理的問題清單。基本上，‘目標(biāo)只是理解大腦?！?/p>

美國國家衛(wèi)生研究院 “推動(dòng)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行腦研究”（BRAIN）計(jì)劃集中于開發(fā)工具，分類、監(jiān)測(cè)和測(cè)量大腦，項(xiàng)目主任約翰 · 奈（John Ngai）認(rèn)為，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)收集，畢竟假設(shè)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)是站不住腳的。

遺產(chǎn)

HBP的經(jīng)費(fèi)在2023年9月底截止。盡管一些源于該項(xiàng)目的工作已經(jīng)獲得資金繼續(xù)開展，但對(duì)于許多曾在HBP中部分或完全合作過的研究人員來說，未來充滿不確定性。

但阿蒙茨等人希望，HBP的工作和EBRAINS平臺(tái)將成為未來幾年歐洲神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)?！按竽X研究需要理解大腦的多層次和多尺度?！?阿蒙茨表示。

2018年1月，HBP獲得了5000萬歐元的資助，其中包括來自歐盟的2500萬歐元，用于開發(fā)EBRAINS的交互式超級(jí)計(jì)算工具和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

研究人員已經(jīng)在利用這一平臺(tái)，如研究大腦如何對(duì)刺激做出反應(yīng)，以及開發(fā)類似大腦的機(jī)器人。約翰 · 奈表示，HBP轉(zhuǎn)向EBRAINS已經(jīng)產(chǎn)生了一個(gè)寶貴工具。類似的平臺(tái)別處也有，但它們?nèi)狈BRAINS提供的規(guī)模和服務(wù)。

2023年3月，歐洲委員會(huì)拒絕了一份為維持EBRAINS運(yùn)行所需3800萬歐元的資金申請(qǐng)，但在與HBP協(xié)商后，于6月重新開放了同一資金申請(qǐng)，為團(tuán)隊(duì)提供了再次申請(qǐng)機(jī)會(huì)。如果申請(qǐng)失敗，該平臺(tái)將依賴于私人資金和來自歐盟各國的財(cái)政支持。

與此同時(shí)，歐洲委員會(huì)正準(zhǔn)備進(jìn)行評(píng)估。此項(xiàng)目的最終審查將于11月開始，預(yù)計(jì)將于2024年1月發(fā)布。“如果不想在全球神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域里過上所謂的人工智能寒冬，就需要讓它受到尊敬。的確需要評(píng)估這種旗艦計(jì)劃到底好不好。” 弗雷尼亞克說。

但HBP的結(jié)束并不意味著歐洲神經(jīng)科學(xué)的結(jié)束，EBRAINS首席執(zhí)行官兼HBP總干事帕維爾 · 希維博達(dá)（Pawe? ?wieboda）強(qiáng)調(diào)。

歐洲委員會(huì)和成員國正在計(jì)劃歐洲大腦健康研究的下一個(gè)階段，重點(diǎn)是利用個(gè)性化大腦模型來推進(jìn)藥物研發(fā)和改進(jìn)大腦疾病的治療方法。但研究人員表示，未來的項(xiàng)目需要避免HBP所面臨的問題。

“我們不想再做一個(gè)HBP，像它起初的那個(gè)樣子?！眾W利里說，“小規(guī)模、集中的科學(xué)以及雄心勃勃的綜合項(xiàng)目都需要支持?！钡筋^來，這個(gè)大型項(xiàng)目確實(shí)創(chuàng)造了一批科學(xué)家社群，專注于一些共同的目標(biāo)，他說：“這是一個(gè)會(huì)對(duì)未來持續(xù)產(chǎn)生影響的遺產(chǎn)。”