脑计划，只为读懂我们的脑？

郭爽　任海军　江世亮

作为人类，我们能够确定光年远的星系，研究小于一个原子的颗粒，但我们仍然没有解开介于我们耳朵之间这三磅重的物质的秘密。因此，我们仍然无法治愈像老年痴呆症、自闭症之类的疾病，或者能从中风中完全康复。

大脑研究计划将会有助于科学家们获得脑部活动的动态图，并更好地理解我们如何思考、学习和记忆。这项计划能够创造就业机会，并可能改善全球数十亿人的生活。——巴拉克·奥巴马（2013.4.2）

什么是大脑活动图谱（BAM）？

开展BAM的目的是让我们可以从复杂的神经网络中读写单个神经元。大家知道，数量巨大且非常广泛的神经回路使大脑的各个不同部位联成一体，人们试图得到总体和局部两个水平的解析。

科学家们希望通过研究“大脑活动图谱”得到对自然状态的最基本的了解，而这只有当认识达到一定的深度和广度才能实现。他们希望深刻地理解医学病理、人的日常情绪以及创造力的产生，等等，同时也希望看到在成本、准确性、全面性和低侵入性等方面的巨大改善。后者是工程上的障碍，而不是某些特定的科学发现。

通过BAM，最想解决什么问题？

人类希望得到对自然状态的最基本的了解，而这只有当认识达到一定的深度和广度才能实现。我们希望深刻地理解医学病理、人的日常情绪以及创造力的产生，等等，同时也希望看到在成本、准确性、全面性和低侵入性等方面的巨大改善。后者是工程上的障碍，而不是某些特定的科学发现。

对临床的帮助大吗？

目前可以在人类大脑中同时记录和刺激几十个神经元。但这些技术并不能总是持续很长一段时间，作为植入物，它一时很难得到日常所需的精细测量或控制等数据。目前可以同时处理的神经元数量提升速度非常缓慢。因此，我们希望在加大数量的同时降低侵害性，或改用其他方法，比如用光纤或合成生物学方法替代电极。

“脑计划”是怎么产生的？奥巴马政府为什么在经济不景气的时候斥资做这件事？

绘制人脑活动图的想法源于美国一个资助神经科学、天体物理、纳米科学的智囊机构卡弗里基金会在2011年9月组织的一次关于神经科学的头脑风暴，与会的6位专家在合成生物学、纳米科技和神经科学方面均有很深造诣，领头人是哈佛大学医学院的遗传学家乔治·丘奇，此人是人类基因组计划的创始人之一。

与会者认为，随着一系列新技术的出现，开展一项大规模的用以跟踪人类大脑功能连接活动，直至对每个神经元功能作详尽了解的条件已经成熟，于是就有了一份名为大脑活动图谱绘制（BrainActivity Mapping，BAM）的项目建议书，并于同年12月向美国国立健康研究院、美国国防部高级研究计划局和白宫科学与技术政策办公室提出了这一项目。乔治·丘奇等几位科学家的想法正好与奥巴马总统想从科学上寻求突破以迎接未来挑战的想法契合，所以项目一经提出便立刻受到白宫的高度重视。

需要指出的是，6位科学家一开始提出的脑活动计划是很谨慎的，他们建议在进行斑马鱼、小鼠和大鼠实验之前，先从一些简单的生物实验开始，包括蠕虫、果蝇和水蛭等。但白宫科学与技术政策办公室官员鼓励这些学者“提出更远大的目标”，于是，这一项目后来扩展到对人类大脑活动图谱的绘制，以及对脑部疾病干预可能性的研究。

对于奥巴马政府而言，选择科学上的突破相对容易得到两党和全国人民的支持，也是阻力较小的。

谁将参与？

“脑计划”项目将通过公私机构共同参与的方式完成，启动资金高达1亿多美元。

美国国立卫生研究院（NIH）将极有可能主导该项目的研发，其在2014财年为“脑计划”投入约4000万美元，该机构下属的15个研究所和中心将参与其中。美国国家自然科学基金会将提供2000万美元，用于开发分子尺度的探测装置，力争能感知并记录神经网活动，并通过“大数据”技术增进对大脑思维、情感、记忆等活动的理解。美国军方也参与其中，国防部高级研究项目局计划投入5000万美元，着重开发一系列能捕捉、处理神经元和染色体活动状态的工具，建立相应的信息处理系统和修复机制，以期在士兵遭遇应激压力、脑损伤、记忆损失等问题时协助诊断和治疗。

在私营机构中，一些相关研究项目在“脑计划”正式启动前就已起步。例如艾伦脑科学研究所在去年3月启动为期10年、旨在理解大脑活动的项目，每年将为此提供6000多万美元。霍华德·休斯医学研究所于2006年启动主要研究神经网络的新园区，每年将提供至少3000万美元的资助。

上述项目都将融入“脑计划”之中。此外，科维理基金会将在今后10年内每年提供约400万美元资金，索尔克生物研究所将总共提供2800多万美元，支持部分“脑计划”项目。供至少3000万美元的资助。

“脑计划”的核心是什么？

抢占脑科学研究的战略制高点，是美国此次出台“脑计划”的深层次动机。

对人类健康而言，人脑的复杂程度、发挥的作用是其他任何器官无法比拟的。理解人脑的运行机制不但有助于帕金森氏症、阿尔茨海默氏症（即老年痴呆症）等脑部疾病的诊断和治疗，同时还可揭示人脑的高能效、高可靠性之谜，对人工智能研发具有重大作用，有助于破译人机界面智能化的世纪难题，开发全新的信息处理系统。

有鉴于此，脑科研被发达国家视为科学研究“皇冠上的明珠”，成为近20年来发展最快的学科之一。谁能率先登顶，不但可以收获可观的经济和社会效益，更有望在科学创新上独领风骚。因此，欧美国家纷纷一掷千金，相继出台新的脑科研计划。

目前人类大脑研究领域处于何种阶段？

科学界对大脑工作机制的认知几乎是空白。美国加州理工学院脑成像中心负责人、神经科学教授拉尔夫·阿道夫说：“我们不了解任何一个单个机体的大脑工作机制，就连只有302个神经元的小虫，我们目前也没法了解它的神经体系。”

科维理纳米系统科学家、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院负责人保罗·韦斯说，目前通过功能磁共振成像（fMRI）等方法，已经可以在在低分辨度情况下记录大脑。

“脑计划”将面临什么挑战？

“脑计划”雄心勃勃，执行起来却可能困难重重。

首先是技术上的难题。人脑由错综交织的神经元构成，科学家承认，一个多世纪以来对大脑的探索才刚刚触及这个巨大科学挑战的表层。这类研究的惯例是从动物模型出发，动物研究当前的最高水平是可以同时从约1000个神经元中取样，但人脑有850亿到1000亿个神经元。伦理方面的担忧也不言而喻。“脑计划”中的一些技术设想如果实现，便可用于操纵神经元，这不仅让人担心会产生“读心术”，还对大脑是否被控制感到疑虑。

中国神经科学界有何反应？

国内一些神经科学家正在探讨在中国做类似的神经科学计划的可能性，一个很初步的看法是：这件事如果要在国内推动的话，就要考虑中国在这方面有哪些优势。

事实上，中国在神经科学方面有很强的积累。即使在文革期间，张香桐、韩济生等前辈科学家借针刺麻醉继续推动神经科学。另外，中国在纳米科学、数学等学科比较有基础，在灵长类、人脑疾病，特别是罕见病遗传病方面的研究资源十分丰富，在整合国家资源、有组织的大规模学科交叉研究方面也有一定经验。无论中国今后在脑科学计划方面做什么、怎么做，都需要整合神经科学、纳米、计算、合成生物学等多方面的资源。

此次“脑计划”，美国科学家表示中国科学界不应缺席，“全球合作对于这一项目非常重要，中国在纳米科学研究领域的成就非常突出。我们希望向全世界开放数据，建立一个向全球开放的数据库。”