《科学》详解美国大脑活动图谱项目

为什么BAM可以与人类基因组计划相提并论，它的价值有几十亿美元？

资料来源:托马斯·舒尔茨/知识共享

■段鑫，本报实习生

美国《纽约时报》2月18日披露，奥巴马*将在下一财年的预算中为一个主要研究课题——大脑活动绘图(BAM)项目拨款。这项研究最终可以大大扩展人们对人脑健康和疾病状况的了解。《科学》杂志最近的一篇文章详细解释了为什么BAM可以与人类基因组计划相提并论，以及为了让公众了解BAM的真正价值，它是如何值几十亿美元的投资。

什么是大脑活动图谱

可以说，神经科学家目前只能粗略测量大脑活动。他们可以使用正电子发射计算机断层扫描(PET)或核磁共振成像(MRI)来检测大脑的广泛区域的活动，或者借助于诸如氧气的介质来测量单个或几个神经元的电活动。一些神经科学家将数字成像或电视放映技术中存在的问题与正确的解决方案进行了比较。他们认为，PET和MRI缺乏对细节的描述，会产生许多模糊的图像，而聚焦于少数神经元就像近距离观看低像素的照片，失去了整个画面。研究人员普遍认为，批判性思维，如思维和认知，出现在这两个极端之间，需要数千到数百万个神经元的参与。目前，研究人员无法观察到如此大规模的神经元整合活动。为了绘制人类大脑活动图，必须开发新的方法，以便在动物模型的条件下绘制图像，并且可以跟踪大量的细胞活动，然后可以找到将该方法应用于人类的安全方法。尚不清楚该项目将关注哪种大脑活动图，但从理论上讲，这种新方法可以帮助科学家理解导致大脑不和谐的因素，如癫痫和精神分裂症，它们被怀疑源自不同大脑区域之间的异常神经连接。

谁将参与

美国国家卫生研究院(NIH)最有可能领导这个项目的研究和开发。国家科学基金会、国防高级研究计划局(DARPA)和白宫科技政策办公室(OSTP)也参与了项目提案。除了艾伦脑科学研究所和霍华德·休斯医学协会(HHMI)都是神经科学研究的支持者之外，卡夫利基金会是该项目的开发和推广的领导者。上个月，微软、谷歌和高通还参加了一个研讨会，讨论如何分析项目数据。

你从哪里来

2011年9月，在英国举行的一次由库弗利、艾伦和盖茨基金会共同赞助的会议上，负责个人基因组计划的分子遗传学家乔治·丘奇和库弗利基金会哥伦比亚大学的神经科学家拉斐尔·尤斯特提出的建议引起了轩然大波。该提议旨在通过广泛而协调的努力来开发一项新技术，以追踪人脑的功能连接性，并最终达到可以测量每个神经元活动的水平。尽管一些与会者持怀疑态度，但尤斯特表示，该提案已经激起了足够的热情，形成了一份白皮书，在此期间，由库夫利基金会科学项目副主席米永春(Miyoung Chun)领导的推广活动，从2011年12月与国家卫生研究院、美国国防部高级研究计划局(DARPA)和OSTP举行的一系列会议开始。

2012年1月，项目的良好势头在圣塔莫尼卡举行的第六届未来研讨会上得以延续。然后，发表在《神经学》杂志上的一篇论文丰富了该项目的研究目标和细节，并解释说它主要集中在动物研究上。2012年7月，随着OSTP要求该提案在科技领域与人类基因组计划一样具有挑战性，春和其他神经病学的合著者以及联邦机构的官员(尤其是OSTP政策部副主任汤姆·卡利)修改了该提案，以使该项目更加关注其对人类的适用性。

它真的关注人脑吗

该项目的早期描述集中在动物模型上，并没有涉及对人类大脑的大量研究。然而，在Chun和他的同事以及联邦机构之间的最后几个月的对话中，任务小组加强了对人类适用性的研究，并邀请了其他研究人员，如研究大脑控制修复技术的约翰·多诺霍(John Donoghue)加入到对话中来。尤斯特说，与OSTP和国家卫生研究院的合作极大地促进了该学科向更“社会责任”形式的转变，并与病人护理建立了实际联系。项目中新强调的部分可能会回答一些超出其实际研究范围的难题。例如，《纽约时报》指出，科学家们正试图在未来10年内构建一张人类大脑活动的综合地图。弗吉尼亚州HHMI·詹妮亚农业实验站的执行主任杰拉尔德·鲁宾说，事实上，这个项目更注重动物模型的研究。他在一封电子邮件中写道:“纽约时报的文章没有很好地反映*的研究范围计划。特别是出于科学和道德的原因，在头10年里，大量资金将用于“模型生物”的实验。”

这个项目会持续多久

项目计划显示，实际需要的时间比《纽约时报》建议的要长得多。根据该计划，在五年内，科学家将能够监测秀丽隐杆线虫的几乎整个大脑活动，其大脑有302个神经细胞和大约7000个神经节点。十年后，科学家期望完成果蝇整个大脑的绘图，它有大约130，000个神经细胞。15年后，有望观察到斑马鱼大脑活动或小鼠大脑皮层某些区域的活动。

白宫的提议到底是什么

到目前为止，国家卫生研究院和其他联邦机构还没有发布详细的提议。然而，根据发表在《神经病学》杂志上的论文和《科学》杂志最新获得的一份文件，春和他的同事们提议将技术发展作为最初的目标，并将其分为四个阶段:第一阶段，他们提议将重点放在开发新的成像工具上，这种工具可以利用光穿透大脑组织，检测和操纵细胞功能；在第二阶段，使用新一代电子探针同时监控大量细胞。在第三阶段，最新的纳米技术被用于实时报告单个神经细胞的活动。在第四阶段，将在人类基因组计划的启发下建立一个数据分析和共享系统。

这要花多少钱

根据《纽约时报》的一篇文章，科学家们希望在未来10年里每年获得3亿美元的科研经费，这个数字相当于每年3.8亿美元的人类基因组计划。然而，文章没有对这一预测给出任何详细的解释。(国家卫生研究院官员表示，在总统2014年预算公布之前，他们不能对项目资金发表评论。目前还不清楚有多少资金将来自重新包装现有的符合BAM研究主题的神经学研究项目。该基金会预计每年将为该项目提供400万至500万美元的研究经费。HHMI和艾伦脑科学研究所将负责这个项目中的一些相关工作。

有争议吗？

这是毫无疑问的。由于资金短缺，科研机构拒绝资助的比例越来越大。这项提议比人类基因组计划更有雄心，绘制人脑的静态回路，而人脑本身也受到了很多批评。许多科学家在社交媒体上的评论也表明，它的出现重新点燃了关于是资助大型科学研究项目还是独立研究人员的争论。然而，美国国家神经疾病和中风研究所所长斯泰尔·兰迪斯建议，该项目最初的重点是开发新技术，而且这个过程通常是在独立实验室而不是大型研究中心完成的。

来自纽约冷泉港实验室的神经科学家帕萨·米特拉认为，该项目提出的许多新发明，比如可以穿透大脑组织的新光学技术，仍然属于科幻小说。同时，他补充道，该项目在研究阶段没有与神经科学进行广泛的交流。他将这一过程与最近资助的欧洲人脑项目进行了比较，该项目旨在建立大脑活动的计算机模型，后者正在酝酿进行更多的公开讨论。(尽管如此，欧洲人脑项目一直被批评为有太多的假设，而不是从现实出发。)

尤斯特解释说，当人类基因组计划首次被提出时，它也遭到了反对者的攻击。他说，尽管绘制人脑活动图是一项更困难的任务，但这一巨大挑战对于刺激新工具的开发和跨学科科学家的合作是必要的。他认为，作为一门科学，神经科学已经到了破旧创新的阶段。他希望这个神经科学项目能像其他大规模科学研究项目一样，在这个科学领域赢得同样的关注，如美国国家纳米技术计划和人类基因组计划。

有可能通过吗

对神经科学研究的兴趣一直是跨党派的，但是不清楚关于这个项目的讨论是否已经从白宫扩展到国会。大多数科研机构都在减少而不是增加新的大型研究课题。如果国家卫生研究院的预算减少了5.1%，那么该机构将不会在这个新项目上投入这么多资金。

中国科学新闻(2013-02-26第三版国际版)