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浅谈全球脑计划研究之前世今生:未知领域的无限可能

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脑科学世界 2021-02-26 10:35

脑科学技术研究是21世纪人类所面临的重大挑战。理解脑的工作机制,进而揭示人类智能的形成和运作原理,解决脑重大疾病对人类造成的困扰,对人脑认知功能开发、模拟和保护,决定未来人口素质,抢占国际竞争的技术制高点具有重要意义。世界上科技发达国家和国际组织早已充分认识到脑科学研究的重要性,在既有的脑科学研究支持外相继启动了各自有所侧重的脑科学计划。本文简要回顾一下世界各国脑计划研究的发展历程,着重探讨中国脑计划的研究进展。

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欧盟脑计划

2009 年瑞士神经科学家亨利·马克拉姆( Henry Markram) 宣布启动蓝脑计划( blue brain project,BBP) ,旨在复制包括神经元及其电活动在内的人类大脑。在BBP 的基础上,2013年欧盟推出了由15个欧洲国家参与、预期10年的“人类脑计划”。欧盟人类脑计划的目标是开发信息和通信技术平台,致力于神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态的计算和神经机器人研究。侧重于通过超级计算机技术来模拟脑功能,以实现人工智能。欧盟人脑计划分为三个重要阶段,分别是2013年10月至2016年3月的“快速启动”阶段,2016年4月至2018年8月的“运作阶段”,以及最后3年的“稳定阶段”。2015 年,欧盟脑计划的研究“新皮层微电路的重建与仿真”登上了当年10 月的《Cell》封面。此研究中他们首次用超级计算机模拟了共包含31000个神经元和3700 万个神经突触的大鼠神经网络。2018 年,欧盟脑计划再次获得阶段性进展,推出了首张小鼠大脑中每个细胞的数字3D 图谱,为神经科学家提供全部737个脑区中主要细胞类型、数目和位置等先前无法获得的信息,极大地加快了脑科学的进展。到目前为止,欧盟脑计划取得了许多突破性进展,其中包括能够应用在神经形态计算机上的全新学习算法,充分结合实验神经科学成就的全新理论模型,以及对于理解学习、认知、空间记忆、多感官整合、睡眠和意识的神经基础等。

欧洲脑计划:基于网络的细胞图谱提供了大脑中所有神经元和胶质细胞视图(2018)

美国脑计划

2009 年,美国国立卫生院( National Institutes of Health,NIH) 推出为期5 年的“人脑连接计划( Human Connectome Project) ”,旨在绘制人大脑的结构和功能连接图,以提高人类对自身大脑的认识,并通过构建共享数据库为以后的研究提供便利[10]。2013 年4 月2 日,美国时任总统奥巴马宣布启动“创新性神经技术大脑研究”计划( Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies,BRAIN) ,被称为美国的脑计划,其目标包括寻找难治性脑疾病的治疗方案、探索人脑工作原理,该计划对于推动人工智能的进步发挥关键作用。最终目的是产生对脑功能障碍的认识,帮助研究人员找到治疗、治愈甚至防止老年痴呆症、创伤性脑损伤等脑部疾病的新方法。该计划一开始就得到美国社会各界支持,除联邦机构外,霍华德·休斯医学研究所、艾伦脑科学研究所、索尔克生物研究所等私营、民间机构及个人也纷纷参与该计划。

“创新性神经技术大脑研究”计划( Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies,BRAIN)

美国已开发出多种创新型设备以便于脑计划的开展: 发明了一种可穿戴式正电子发射断层扫描仪,能够在人体自然状态下更好地研究大脑工作; 利用碳纳米管研发出体积小、传导性强、支持快速开关等特点的新型计算机; 发明了一种具有生物仿真效果的忆阻器( 即记忆电阻器,通过测定其阻值便可计算出流经的电荷量) ,更加有效地模仿神经突触功能。目前美国脑计划已在很多方面获得突破性成果: 绘制出斑马鱼在接受多种刺激时大脑的透视图; 研发出能够精准控制小鼠行为的技术; 开发出能够一次性记录数以千计神经元电活动的方法等。

美国脑计划的一个重要推动者----艾伦脑科学研究所,历时多年,依次推出了“艾伦小鼠脑图谱”、“艾伦人类脑图谱”等共享数据库,为数以万计的科学家的研究提供数据支持,基于这些数据库获得的成果发表在国际顶级期刊。2019 年,来自哥伦比亚大学的研究人员耗时8 年绘制了秀丽隐杆线虫全部神经元及其之间的7000个连接的完整图谱,该研究让我们更好地理解神经元如何相互作用导致产生不同行为。2018 年11 月,美国宣布总额超过4 亿美元的新资助计划,包含了创建用于扫描人类大脑活动的无线光学层析成像帽,开发用于改善瘫痪患者生活的无创脑—机接口系统,寻找控制疼痛及阿片类药物滥用的方法,以及用于治疗精神分裂症、注意力缺陷障碍和其他脑部疾病测试的无创脑刺激装置。

美国脑计划:小鼠全脑3D结构图谱《艾伦研究院小鼠大脑共同坐标框架》(2020)

日本脑计划

2014 年,日本的“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱( Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies,Brain /MINDS) ”项目启动,被称为日本的脑计划。该项目为期10 年,每年投入经费2700~3600 万美元。日本脑计划旨在利用非人灵长类动物狨猴绘制神经元回路的结构和功能图谱,以帮助最终了解人类复杂的大脑。2018 年9 月,在Brain /MINDS 的框架基础上,Brain /MINDS Beyond 计划启动。在该计划中利用可译标志物对人类和非人灵长类动物的研究将持续,同时,寻求同其他国家脑计划的国际合作是该计划的一个主要扩展,并且对不同设备和供应商提供的异质性MRI数据进行标准化分析是该计划的另外一个扩展。2018 年,狨猴大脑的3D 图谱绘制完成。2019 年,通过对2973 个个体进行分析,Koshiyama 等发现精神分裂症、躁郁症、自闭症谱系障碍、重度抑郁症患者的胼胝体体部白质结构存在相似改变,并且与正常个体存在显著差别,这为疾病分类提供新的理论支持。

日本脑计划:狨猴大脑的3D图谱数据可视化(2018)

中国脑计划

2021年是“十四五”开局之年,十四五规划多个重大项目,脑科学与类脑研究也位列其中。1月19日,科技部公开征求科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目2020年度项目申报指南意见,让中国脑计划的跨越式发展提上日程。早在2014年3月,脑科学发展战略研究香山特别会议在京召开,强伯勤院士、杨雄里院士、蒲慕明院士、范明研究员共同担任执行主席;2015年,中国科学家就对脑科学与类脑研究在中国“一体两翼”的部署达成了初步的共识。“一体”即指人类认知的神经基础为主体和核心; “两翼”包括以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究2018年,北京与上海南北脑科学与类脑研究中心先后成立,两中心的并肩前行有望加速推进我国脑科学的发展,推进科技成果应用技术的转移转化,催生新兴脑智产业发展。

随着脑科学与类脑研究被列入十四五规划,未来国家或将拿出540亿元,正式推进中国脑计划的发展。 截止到目前为止,中国脑计划取得多项世界顶尖突破: 北京大学陈良怡团队开发了一种可以精确记录小鼠在自由活动中的脑活动的高速高分辨微型双光子显微镜; 华中科技大学骆清铭团队开发的高通量双色成像方法,以细胞水平的高分辨率对整个小鼠脑进行3D 成像和重建; 清华大学戴琼海院士团队研制出新型超宽视场高分辨率实时显微成像仪器; 2018,我国科学家首次针对人类前额叶皮层发育过程中前额叶形成中的细胞与分子机制进行了系统研究,成果发表在顶级学术期刊《Nature》上; 2019 年,华中科技大学骆清铭团队将单突触狂犬病病毒示踪剂与荧光微光学切片断层扫描结合使用,以生成对雄性小鼠mPFC 中GABA 能中间神经元的直接远程输入的全脑图谱,该研究成果发表在国际顶尖杂志《Nature Neuroscience》上。

中国脑计划:小鼠内侧前额叶皮层γ-氨基丁酸(GABA)能神经元长程输入环路的全脑图谱

除了南北两个脑科学与类脑研究中心的建立,国内陆续成立了脑科学研究中心。重庆市推出“脑科学协同创新中心”,深圳建立“先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所”。山东大学脑科学专家在学习借鉴发达国家脑研究计划的基础上,于2015 年6 月11 日,在山东大学脑科学研究所( 依托山东大学齐鲁医院建设) 正式启动“齐鲁脑计划”,提出了以“脑解读”为基础、“脑保护-脑模拟”为核心,最终实现“脑控制-脑重建”的理论体系,以此整合、带动脑科学相关学科、平台和产业的全面发展。“宁夏脑计划”于2017 年1 月17 日启动,主要聚焦于颞岛神经网络及癫痫与脑认知功能的基础与临床研究。

除了上述国家和地区以外,澳大利亚、韩国和加拿大也分别提出自己的脑计划: 2016 年2 月澳大利亚提出通过增加国际合作来提高本国的大脑战略性研究,目前已在神经镇痛装置、仿生视觉装置等方面获得转化性成果; 2016 年5 月韩国提出“脑科学发展战略”,通过政府资助提高国家脑科学研究水平,并在脑疾病防治方面取得突破; 2017年加拿大启动脑科学研究战略,着重开展对大脑发育及功能的研究,并利用研究成果防治脑疾病,带动人工智能技术的发展。

对中国脑计划研究的展望

1.加大投入,探讨多元合作机制各国脑科学计划的组织实施对加速本国脑科学研究,破解脑部疾病难题,推动相关学科进步和经济社会发展起到了重要作用。在组织实施机制方面, 可以借鉴美国等国家建立了以政府投入和基金会等私营机构投入相结合的多元投入模式,充分激发各类创新要素活力,促进技术成果转化。我国在脑科学领域的技术开发和转化应用相对薄弱,宜借鉴国际发展经验,明确发展目标,加大科技投入,整合各类创新资源,加快推进神经科技领域的研究进展。

2. 加强国内合作,推动数据共享 加强国家层面的统筹规划,通过增加国内研究结构的交流合作,建立脑科学信息资源共享平台,规范国内脑科学研究体系的数据标准、整合数据资源、挖掘数据的潜在价值、推进资源开放融合共享。借鉴欧美、日韩等国在样本采集和运转、数据编码、数据存储、数据利用等方面的经验,研究制定统一的数据管理标准,加强汇交数据的质量控制。促进我国脑科学数据标准规范化,加强信息共享,保护数据隐私,推动脑科学领域快速发展。

3.加强国际合作,主动融入全球创新网络 积极参与国际脑科学计划、国际大脑研究组织相关工作,借助已有平台资源,了解各国脑科学技术发展方向,开展全球脑科学议题讨论,将对拓宽我国科学家国际视野,促进我国参与和主导国际规则制定,酝酿脑科学国际合作计划,提升国际影响力具有重要意义。

正如蒲慕明院士所说:“国际脑计划合作项目正在推进,鉴于中国过去长期以来在神经科学方面的大量工作,未来有望在国际脑科学合作项目中起到引领作用。而脑计划作为前沿科学具有高竞争性特点,每个科学家都希望第一个到达终点,竞争是必要的,但是应当在当中寻求合作。”

本文来源于“千乘镜像”,brainnews获授权转载。

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