透视美国“脑计划”：复杂度超过人类基因组计划

本月，白宫宣布了“促进创新神经技术的大脑研究计划”(以下简称“大脑计划”)。美国总统巴拉克·奥巴马在2013年初的国情咨文中说，该计划将把科学提高到太空竞赛以来从未有过的水平。同样，欧盟委员会在年初宣布，大脑工程和石墨烯被选入“未来新兴旗舰技术项目”，并为此制定了一项专门的研发计划。

什么是“大脑工程”？它能和基因组计划相比吗？与欧洲委员会发起的人类大脑项目有什么不同？考虑到这些问题，我们的记者最近采访了这个项目的科学家，以了解它是什么。

首先，“大脑计划”启动后会是什么样子？

在接受记者采访时，加利福尼亚大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所所长、科维利亚纳米系统科学家保罗·维斯说，这个项目首先是一项新技术，然后将成为复杂和多维大脑活动的记录。之后，该计划将模拟先前研究的结果。到那时，我们将试图在大脑研究的层面上分析这些数据，这是以前从未实现过的。

美国加州理工学院大脑成像中心主任、神经科学教授拉尔夫·阿道夫(Ralph Adolf)表示，尽管该计划的详细计划尚不明确，但可以肯定的是，“计划”的核心内容是新技术的开发和应用，这让我们能够记录大量脑细胞的数据。这些是理解大脑工作机制的基本信息。

多丽丝是加州理工学院的一名专家，她从柯维基金会组织的第一次会议开始就参与了“大脑项目”，她认为没有人知道这个问题的确切答案，对于如何实施这个项目也没有统一的意见。其中，新技术和工具的开发是该计划的重点。多丽丝说，一个趋势是我们都认识到开发新工具的必要性。在过去的10年里，神经科学发展了许多新工具。

第二，“大脑工程”能和人类基因组工程相比吗？

多丽丝说，与人类基因组计划(HGP)相比，“大脑计划”的目标仍然不够明确。人脑有1000亿个神经元和100万亿个突触，其中包含了科学的巨大奥秘。这似乎是一项不可能的任务。

阿道夫认为“大脑项目”比HGP复杂得多，科学家需要做大量工作来理解如何分析和理解数据。像基因组计划一样，大脑项目也涉及伦理问题。

第三，美国的“大脑项目”和欧盟的大脑研究项目有什么不同，它会争夺资源吗？

阿道夫说，欧盟的人类大脑项目与美国的“大脑计划”大不相同。前者提议在超级计算机上模拟人脑，模拟所需的数据可以来自美国的“大脑计划”。两者可以互补。

韦斯说，人脑工程提供了人脑的计算机模拟。“大脑计划”主要针对模型生物大脑神经回路的实验测量。

第四，为什么有些人对这个计划充满“*”的热情，而其他人对它的完成持怀疑态度？

阿道夫说，事实上，实现是在两者之间。目前，提议记录人脑中的每个神经元只是“幻想”。“如果我能在有生之年做到这一点，我会感到震惊，”他说，并补充说，即使是对老鼠大脑中的一个小区域进行成像也是非常有价值的，如果这个程序能被许多研究人员使用并受益于这项技术，那将是一件好事。

韦斯认为，协同努力将在未来几十年加速脑科学的研究，就像神经科学和大脑计算建模科学一样，“大脑计划”也需要汇集不同领域的科学家和工程师一起工作，让他们解决神经科学领域的关键问题。在这两种态度中，人类基因组计划是一个很好的类比。它的结论对生物学和医学做出了非凡的贡献。

人类大脑研究领域目前处于什么阶段？

阿道夫告诉记者，科学家不了解任何单一身体的大脑的工作机制，甚至一个有302个神经元的蠕虫也不了解它的神经系统。尽管人类对单个神经元了解很多，但对小神经元网络的工作机制却知之甚少。在细胞分析层面，大脑结构的工作机制基本上是未知的。

韦斯说，目前我们已经可以通过功能性磁共振成像(fMRI)等方法以低分辨率记录大脑。根据要测量的内容，我们通常可以同时记录十几个神经元，最多可达1200个。

什么方法和技术将应用于“大脑工程”？

阿道夫说，这个问题还不清楚。通过光学方法可以获得各种成像类型的大量数据，但也可以应用纳米技术的概念。

韦斯表示，该计划的研究和应用技术尚未确定，可能包括电子探针技术、光学探针技术、光遗传学、功能化纳米粒子技术、合成生物学技术等。

多丽丝说成像技术和电子物理技术是记录神经元信息的两种方法，每种方法都有各自的优缺点。

“大脑项目”高级工作组副主席、斯坦福大学神经科学教授威廉·纽瑟姆(William newsome)告诉美国媒体，随着新光学成像工具、平行电极阵列和其他新工具的发展，我们有潜力做得更多。

此外，功能磁共振成像是一个伟大的工具。这个工具就像通过太空卫星观察地球上美国的夜景。你可以通过灯光来判断它来自哪个城市，以及通过车辆来判断城市之间的联系。这是一个规模和分辨率的问题。

第七，除了资金，这个计划还会面临什么挑战？

多丽丝说我们现在就像在建造一座巴别塔。每个人都在做自己的项目。每个人都有自己的实验范式。神经科医生太难相互理解了。著名神经科学家克里斯托弗·科赫(Christopher Koch)表示，对于神经科学家来说，他们宁愿共用一把牙刷，也不愿使用相同的实验范式。与基因组计划或物理工程相比，神经科学充满个性，难以合作。“根据目前的情况，虽然我们的数据库不是很有用，但是如果我们能够合作开发出人人都能受益的新工具，或者如果不同的实验室能够联合记录大脑某个区域的神经元信息，那么这将成为神经科学未来发展的一个新方向。但我不确定这是否会成为现实。”

韦斯说，目前的挑战是，人们不知道“什么样的技术可以引导人们去他们想去和需要去的地方。”

阿道夫说，获得大量的研究资金总是一件好事，但如何分配和管理这些资金，以及如何决定如何将它们用于最佳目的，都是一个问题。

8.这个计划对人类健康的影响被夸大了吗？

多丽丝说:“如果我们说帕金森氏病、阿尔茨海默氏病和其他疾病可以通过这个计划在10年内治愈，那么这是过度的“销售”。但是如果这个计划对人类健康有害

这是毫无疑问的。“目前，人类对大脑的理解仍然非常有限，我们只能理解最基本的问题。目前，谈论该计划的具体应用还为时过早，治疗帕金森病、阿尔茨海默病和其他疾病是一个遥远的目标。

韦斯说，我们需要新的技术、方法和途径。该计划将在未来几十年加快相关领域的发展。在疾病治疗和健康方面的应用将是巨大的。

阿道夫认为，像人类基因组计划一样，实现特定目标可能需要很长时间。但是神经科学中所有巨大而困难的课题最终都会从这个项目中受益。然而，我们需要大量的新技术和工具，包括用于分析和理解所获得的研究数据的方法。

9.“人才工程”将如何开展国际合作？

韦斯说，全球合作对这个项目非常重要。中国在纳米科学研究领域取得了突出成就。“我们希望向世界开放数据，并建立一个向世界开放的数据库。数据管理得到数学和计算机科学领域研究人员的协助。就像基因工程一样，我们需要组织、存储和注释数据的方法和手段。事实上，在项目开始时，我们已经开始与各地的研究机构和社区合作。”

多丽丝告诉记者，许多中国科学家也参与了大脑项目。

我们什么时候能得到最终答案？

韦斯说:“我们提议的项目计划耗时15年。”

科维基金会科学项目副主席，美国和英国所有人告诉美国媒体，大脑活动绘图项目启动后至少需要10年时间。

多丽丝说:“也许我们永远也不会得到最终的答案。一些专家认为我们永远不会知道“意识”。"