美國的大型腦科學(xué)計(jì)劃聚焦在新技術(shù)開發(fā)
美國的大型腦科學(xué)計(jì)劃聚焦在新技術(shù)開發(fā)
日期：2013-08-21 作者：蒲慕明 來源：文匯報(bào)
斥巨資推進(jìn)人腦研究，提宏大研究愿景 美國將從新技術(shù)的開發(fā)著手
□中科院外籍院士中科院上海生科院神經(jīng)所研究員 蒲慕明
我今天主要介紹今年美國總統(tǒng)奧巴馬提出的腦計(jì)劃，也簡(jiǎn)單介紹一下歐盟推出的人腦計(jì)劃。奧巴馬在今年2月12日的國情咨文里首次提出，美國要開展一個(gè)“腦活動(dòng)圖譜計(jì)劃（Brain Activity Map）”。在談到這個(gè)計(jì)劃時(shí)他說，科學(xué)家將把大腦里所有的神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)元）的活動(dòng)記錄下來。有了這種資料，就能進(jìn)一步理解大腦的功能，也能幫助治療腦疾病。
最大動(dòng)機(jī)是為醫(yī)療減負(fù)
奧巴馬提出腦計(jì)劃的主要社會(huì)背景，是腦疾病正引發(fā)越來越大的醫(yī)療負(fù)擔(dān)問題。現(xiàn)在，如阿爾茲海默癥、帕金森氏病、中風(fēng)、抑郁癥等腦疾病的負(fù)擔(dān)已經(jīng)成為全球醫(yī)療負(fù)擔(dān)中最大的一項(xiàng)。2005年，世界衛(wèi)生組織的估計(jì)達(dá)到28%（包括社會(huì)負(fù)擔(dān)、醫(yī)療負(fù)擔(dān)），高于心血管病，高于癌癥。如此重負(fù)是美國社會(huì)所無法承擔(dān)的。這個(gè)問題不解決，二十年、三十年后，整個(gè)美國醫(yī)療系統(tǒng)將要破產(chǎn)，這是奧巴馬政府最大的壓力。
美國腦活動(dòng)圖譜計(jì)劃的主要目標(biāo)是科學(xué)家所提出的“紀(jì)錄每一個(gè)神經(jīng)元的每一個(gè)脈沖 （record every spike from every neuron）”。假如我們知道大腦進(jìn)行其功能時(shí)每一個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，我們就可能會(huì)理解正常的腦功能，以及腦疾病是怎么發(fā)生的。
現(xiàn)有最好的電活動(dòng)探測(cè)技術(shù)是“鈣成像”。鈣成像反映的是一連串的神經(jīng)脈沖，而不能反映單一脈沖；而且，目前最多只能紀(jì)錄一千個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，而人腦有一千億個(gè)神經(jīng)元。所以要發(fā)展新的技術(shù)。
首先要研發(fā)的是高效的神經(jīng)元電活動(dòng)的探針，其次要有觀察和紀(jì)錄探針信息的方法，最后要建立處理大量腦電活動(dòng)信息的方法?？茖W(xué)家提出要研發(fā)的技術(shù)，是對(duì)電壓敏感的、能發(fā)熒光的納米粒子。這樣的納米探針必須對(duì)細(xì)胞膜電壓敏感，同時(shí)又有很高的時(shí)空分辨度。目前還完全沒有這樣的技術(shù)。
他們還提出，要使用新的納米技術(shù)做多通道的電極，以此來紀(jì)錄大量神經(jīng)元的電活動(dòng)。此外，測(cè)量探針信息和處理大量信息的方法，也需要有所突破。
科學(xué)界與白宮目標(biāo)有異
提出腦活動(dòng)圖譜計(jì)劃的科學(xué)家目標(biāo)很清楚：五年之內(nèi)，要獲得有302個(gè)神經(jīng)元的線蟲和果蠅部分腦區(qū)（約1.5萬個(gè)神經(jīng)元）的完整活動(dòng)圖譜，這一點(diǎn)他們有信心。而10年內(nèi)，要完成整個(gè)果蠅腦（約13.5萬個(gè)神經(jīng)元）的電活動(dòng)圖譜，包括每一個(gè)神經(jīng)元在什么時(shí)候放電，做什么行為能夠放電等等。15年后，該計(jì)劃可能完成小鼠大腦皮層（約有數(shù)千萬個(gè)神經(jīng)元）的完整電活動(dòng)圖譜，而這將是非常巨大的挑戰(zhàn)。
奧巴馬提出在十年內(nèi)花費(fèi)30億美元，希望能對(duì)人腦的認(rèn)識(shí)有所突破；但科學(xué)家只期望10年內(nèi)完成果蠅和小鼠的電活動(dòng)圖譜。這兩者的差距非常大。其實(shí)，奧巴馬科技政策辦公室的人也沒有告訴他，這個(gè)計(jì)劃真正可能達(dá)到的目標(biāo)是什么。
人腦有1000億個(gè)神經(jīng)元，到底哪一年可以搞清楚？進(jìn)一步說，有了完整的人腦電活動(dòng)圖譜，對(duì)神經(jīng)科學(xué)的長遠(yuǎn)發(fā)展會(huì)有意義，但對(duì)治療腦疾病有多大貢獻(xiàn)還是未知數(shù)。這個(gè)計(jì)劃提出了一個(gè)宏大的腦科學(xué)愿景，將能大幅度推動(dòng)交叉學(xué)科開發(fā)，包括納米科學(xué)、微電子科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、分子生物科學(xué)等有關(guān)的新學(xué)科、新技術(shù)。但關(guān)鍵技術(shù)完成的可能性和時(shí)間難以估計(jì)，成果用于腦疾病的診斷和治療更是遙遙無期。
在收集了各種意見之后，白宮于4月召開記者會(huì)。這次，奧巴馬改變了說法。他說我們現(xiàn)在稱其為“BRAINInitiative”（BRAIN既有“大腦”的意思，又是BrainResearch Through Advancing Innovative Neurotechnology的首字母縮寫，意為“基于創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的腦研究”――編注)，這個(gè)計(jì)劃包括了腦活動(dòng)圖譜以外的許多腦研究的新技術(shù)研發(fā)，如與醫(yī)療直接有關(guān)的腦機(jī)接合器件，對(duì)人腦和其他模式動(dòng)物的研究也將不再位列其他簡(jiǎn)單模式動(dòng)物，比如線蟲和果蠅之后。
我認(rèn)為在此時(shí)刻，腦功能聯(lián)結(jié)圖譜的建立應(yīng)先于微觀細(xì)胞電活動(dòng)圖譜的建立。在知道每一個(gè)神經(jīng)元電活動(dòng)之前，應(yīng)該先知道各種腦功能的環(huán)路大致?lián)碛性鯓拥慕Y(jié)構(gòu)，包括了哪些腦區(qū)和哪些種類的神經(jīng)元。 如果你對(duì)整個(gè)宏觀的或者環(huán)路層面上的聯(lián)結(jié)沒有搞清楚，那即使你知道每一個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，還是不知道怎么分析，怎樣去理解它的規(guī)則。
歐盟想用電腦仿人腦
歐盟的人腦計(jì)劃是五年前開始的“藍(lán)腦計(jì)劃”（BlueBrain Project）的延伸。
“藍(lán)腦計(jì)劃”是一個(gè)用電腦來模擬鼠的大腦皮層的計(jì)劃?，F(xiàn)在的歐盟計(jì)劃是十年，每年1.2億歐元，目標(biāo)是歸納我們對(duì)人類腦部現(xiàn)已掌握的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)資料，通過超級(jí)計(jì)算機(jī)逐步構(gòu)建模型以模擬人腦。該模型將使人類終能了解大腦和腦疾病，并為未來的計(jì)算機(jī)和機(jī)器人技術(shù)提供一個(gè)新的前景。
歐洲多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家都認(rèn)為，現(xiàn)在做模擬腦，時(shí)機(jī)還不成熟，因?yàn)閷?duì)大腦的理解目前還太粗淺，沒有足夠的準(zhǔn)確參數(shù)去做模型?，F(xiàn)在，即使做出了一個(gè)人腦模型，它的可靠性將大有問題，對(duì)腦科學(xué)和腦疾病資料都沒有什么用處。
也許是因?yàn)榉磳?duì)的聲音太大，最新的消息說這個(gè)計(jì)劃的內(nèi)容已有些修改，也開始資助與模擬腦無關(guān)的研究項(xiàng)目。
應(yīng)更注重腦病研究
最后，我覺得未來中國的腦研究計(jì)劃要跟歐盟、美國的不一樣，我們更應(yīng)關(guān)注真正緊迫的問題，那就是怎樣治療腦疾病。
對(duì)許多腦疾病、尤其是精神類疾病和退行性疾病，目前藥物治療的效果并不好。早期診斷、早期干預(yù)是腦疾病治療未來最有希望的途徑。而且，未來更應(yīng)重視生理和物理手段，不能只依賴藥物治療。在疾病癥狀出來之前，及早干預(yù)可能是減輕腦疾病社會(huì)負(fù)擔(dān)最有效的方式。
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