透視美國“腦計劃”：復雜度超過人類基因組計劃

　　4月，美國白宮公布了“推進創新神經技術腦研究計劃”(簡稱“腦計劃”)。美國總統奧巴馬在2013年初的國情咨文中表示，這項計劃將讓科學達到一個自從太空競賽以來從未見過的高度。無獨有偶，歐盟委員會也在年初宣布，人腦工程和石墨烯兩大科技入選“未來新興旗艦技術項目”，并為此設立專項研發計劃。

　　“腦計劃”是什么樣的？可以與基因組計劃相比嗎？與歐盟委員會推出的人腦工程的區別是什么？帶著這些問題，本報記者近日采訪了這項計劃的科學家，一探其究竟。

　　一、啟動后的“腦計劃”將是什么樣子？

　　科維理納米系統科學家、加州大學洛杉磯分校加州納米系統研究院負責人保羅·韋斯在接受記者采訪時說，這項計劃首先是一種新技術，然后會變為對復雜多維的大腦活動的記錄。此后，這項計劃將對涉及對此前研究結果的建模。屆時，將嘗試在前人從未達到的大腦研究層面分析這些數據。

　　美國加州理工學院腦成像中心負責人、神經科學教授拉爾夫·阿道夫說，盡管關于這一計劃的詳細方案尚不明晰，但可以肯定的是，“計劃”的核心內容是新技術的發展、應用，這讓我們可以記錄來自大量大腦細胞的數據。而這些是了解大腦工作機制的基本信息。

　　從科維理基金會組織的最初會議開始參與“腦計劃”的加州理工學院專家桃瑞絲認為，現在大概誰也不知道這個問題的確切答案，如何開展這項計劃，還沒有統一的意見。其中，研發新技術和新工具是這項計劃的重點。桃瑞絲說，一個趨勢是我們都認識到需要研發新的工具。在過去10年內，神經科學研發出了很多新工具。

　　二、“腦計劃”能與人類基因組計劃相媲美嗎？

　　桃瑞絲說，與人類基因組計劃(HGP)相比，“腦計劃”的目標目前尚不夠清晰。人類大腦擁有1000億個神經元和100萬億個神經突觸，包含著科學界的巨大奧秘，這看起來是項難以完成的任務。

　　阿道夫認為，“腦計劃”比HGP復雜得多，科學家需要做大量工作以了解如何分析和理解數據。與基因組計劃一樣，“腦計劃”也會涉及倫理問題。

　　三、美國“腦計劃”與歐盟人腦研究項目有何區別，是否會競爭資源？

　　阿道夫說，歐盟的人腦工程與美國的“腦計劃”有很大不同，前者提出在巨型計算機上對人腦建模，而建模所需的數據可以來自美國“腦計劃”，兩者可以互為補充。

　　韋斯說，人腦工程提供的是一種對人腦的計算機模擬。而“腦計劃”則主要針對于模型生物大腦神經回路的實驗性測量。

　　四、為什么有人對該計劃充滿“狂野”的熱情，而有人卻對它能夠完成持懷疑態度？

　　阿道夫說，事實上，實施介于兩者中間。目前提出記錄人類大腦的每個神經元簡直就是“幻想”。“如果在我的有生之年能夠做到這一點，我將非常震驚，”他說，即使對一只老鼠大腦中的小區域成像也將極具價值，如果這一計劃可以讓眾多科研人員使用并從這個技術中受益，將是件好事。

　　韋斯認為，齊心協力的努力將在未來幾十年加速大腦科學的研究，如同神經連接組學、大腦計算建模科學一樣，“腦計劃”同樣需要聚集不同領域的科學家和工程師共同合作，讓他們在神經科學領域解決關鍵問題。在這兩種態度中，人類基因組計劃是一個很好的類比。其結論對生物學和醫學有非凡貢獻。

　　五、目前人類大腦研究領域處于何種階段？

　　阿道夫告訴記者，現在科學家不了解任何一個單個機體的大腦工作機制，就連只有302個神經元的小蟲，也沒法了解它的神經體系。盡管目前人類對單個神經元有了不少了解，但對于小神經元網絡工作機制知之甚少。而在細胞解析層面，對于大腦結構的工作機制基本一無所知。

　　韋斯說，目前我們已經可以通過功能磁共振成像(fMRI)等方法在低分辨度情況下記錄大腦。依據需測量的內容，我們通常可以同時記錄十幾個神經元，最多的時候可以記錄1200個。

　　六、“腦計劃”中將會應用哪些方法和技術？

　　阿道夫說，這個問題目前還不明確。可能通過光學方法獲取多種成像類型的大量數據，但也可能會運用納米技術的構想。

　　韋斯說，這項計劃的研發和應用技術尚未確定，可能會包括電子探針技術、光學探針技術，光遺傳學、功能化納米粒子技術、合成生物學技術等。

　　桃瑞絲說，成像技術和電子物理學技術是記錄神經元信息的兩種途徑，兩種途徑各有優劣。

　　“腦計劃”高層級工作組聯系主席、斯坦福大學神經學教授威廉·紐瑟姆對美國媒體說，由于新的光學成像工具和平行電極陣列等工具以及其他新工具的研發，讓我們具備做更多事情的潛能。

　　此外，fMRI是一個偉大的工具，這種工具就像是在太空通過衛星觀測地球上美國夜晚的燈光，你可以從燈光判斷來自哪個城市，以及通過車輛實現的城市之間的聯系。這是一個有關規模和分辨率的問題。

　　七、除資金外，這項計劃還將面臨什么挑戰？

　　桃瑞絲說，我們現在就如同在搭建一座巴別塔，每個人都在做自己的項目，每個人都有自己的實驗范式，神經學家太難互相理解。著名神經科學家克里斯托弗·科赫說過，對于神經科學家來說，他們寧愿共用一支牙刷，也不愿用同樣的實驗范式。與基因組計劃或者物理學工程相比，神經科學充滿個性，很難共同工作。“就目前情況看，盡管我們的數據庫用處不是很大，但如果能夠共同努力研發大家都可受益的新工具，或不同實驗室共同記錄大腦一個區域的神經元信息，那么將成為神經科學未來發展的一個新方向。但我不確定，這能否成為現實。”

　　韋斯說，目前的挑戰是，人們不知道“何種技術可以帶領人們去想去且需要去的地方”。

　　阿道夫說，獲得大筆研究資金總是件好事，但這筆資金該如何分配和管理以及如何決定將其用于最佳用途是個問題。

　　八、目前是否夸大了該計劃對人類健康的作用？

　　桃瑞絲說：“如果我們說在10年后將可以通過這項計劃治愈帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥等疾病，那么這是過度‘兜售’。但如果說這項計劃將對人類健康

　　作出貢獻，這是毋庸置疑的。”目前人類對于大腦的了解還非常有限，我們只能了解最基本的問題。目前人們談論關于這項計劃能實現何種具體用途還為時尚早，要治愈帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥等疾病更是遙遠的目標。

　　韋斯說，我們需要新的技術、方法和途徑。這一計劃將在未來數十年加速相關領域的發展。對于疾病治療和健康方面的應用將是巨大的。

　　阿道夫認為，就如同人類基因組計劃，也許需要很長時間才能夠實現具體的目的。但神經科學領域所有巨大而艱難的課題最終將從這項工程中獲益。不過，我們需要大量新技術和工具，包括分析和理解所得到的研究數據的方法。

　　九、在“腦計劃”中的國際合作將如何開展？

　　韋斯說，全球合作對于這一項目非常重要。中國在納米科學研究領域的成就非常突出。“我們希望向全世界開放數據，建立一個向全球開放的數據庫。由數學和計算機科學領域的科研人員幫助進行數據管理。就像基因工程一樣，我們需要組織、儲存和注釋數據的方法和途徑。事實上，在計劃開始階段，我們已開始在各地研究機構和社群中開展合作。”

　　桃瑞絲告訴記者，“腦計劃”也有很多中國科學家參與。

　　十、我們會在何時得到最終的答案？

　　韋斯說：“我們提議的項目計劃設計時長為15年。”

　　科維理基金會科學項目副主席全美英對美國媒體說，大腦活動圖項目啟動后，至少需要10年時間。

　　桃瑞絲說：“也許我們永遠無法獲得最終答案，一些專家認為，關于‘意識’永遠無法獲知。”