模拟人脑，超越人脑

主讲人：欧利弗

模拟人脑，超越人脑

主讲人：欧利弗

（一）

我今天跟大家介绍一下欧洲的 “人类大脑计划”，这个为期十年、旨在了解人类大脑的研究项目去年就开始了，资金来自于欧盟委员会，准备斥资10亿欧元。

在了解大脑的过程中，我们最大的挑战是参与这项计划的这些科学家的大脑相互之间需要了解，这是非常具有挑战的工作。

我们的人类大脑计划要做什么呢？有三个概念。第一个是未来的神经科学，基本的思想就是我们现有的关于大脑的知识融入到计算机模拟当中去；第二个是医学的未来，我们希望能够从症状的治疗跨越到病因的治疗，在峰值水平进行脑疾病的治疗，这就要求我们整合神经科学的知识，第三个是很多人关注的领域，即我们是不是可以从大脑中学习建造更好的计算机，这个计算机并不一定要比现在的计算机更智能，但我们希望将来的计算机更小更节能。

拿现在的超级计算机来说，耗电非常大，它需要有500兆伏的电源来运行，而且它体积过大，把整个房间占满了。如果大家手上都有一个小的计算机，只要 20瓦的能量，而且有同样的计算能力，很多公司一定非常感兴趣。构建一个非常小而节能的计算机，就像我们的大脑一样的计算机。欧洲脑计划的核心就是把计算机整合到模拟里面去。

欧利弗

（二）

我们现在把时间回到500年之前，那个时候，人们想把所有的关于地球的知识整合起来，那个时候的目标就是建立第一个地球仪。那时能做到的就是将所有的水手搜集起来的地图整合起来，做成一个地球仪。

大家如果了解的话，在1494年的时候，美洲大洲还没有发现，500年以后，我们现在有“Google地球”这个项目，它可以让我们非常详细地了解地球。

我手上的这个地球模型能够告诉我们地球的哪些地方是我们还不知道的，这一点对于指导未来的研究非常重要。在神经科学领域里面，我们现在对于大脑还没有形成全球一致性的，大家统一的大脑图。

可以想象一下，在以前做这个全球地图的时候，人们访问过了非洲、访问过了欧洲，那时候把所有关于地球的知识综合起来，建立了地球图。今天我们人类大脑计划，也是与之比较类似的，我们需要形成一个关于我们大脑的统一的知识，为此要把现在关于大脑的所有的知识综合起来，就像我们 500年之前要 把所有的地图整合起来一样。

在我们建立这个模型的时候，我们必须要了解到手里数据的质量，可以想象一下，第一个地球仪制成500年后的今天关于地球的地图，我们还没有完全彻底了解，仍然在不断地进展中。因此，我们对于大脑计划，首先必须要知道还有哪些数据要获得。

我们现在做的数据，往往都是用动物实验得来的，都是以动物的牺牲来的。当然我们是希望能够进行更好的研究，来降低动物的使用。最后，我们形成了这个知识的整合以后，就是想要知道下一步我们应该做什么。

（三）

所以，在我们的人类大脑计划里面，最重要的就是形成一个关于大脑的统一的模型，也就是说把我们关于大脑的所有来自神经科学一线的数据整合起来形成一个模型。

首先是关于大鼠和关于小鼠大脑的神经数据，这方面有很多的研究。同时，这个模型能够告诉我们今后可以做什么实验来验证这些数据。这个项目的第二个阶段就是要专注于人的大脑进行研究。

我们这个大脑研究项目和其他大脑研究项目的差别在于，我们专注的是机器，把数据转化成模型，不管是什么样的动物，都可以用这个模型，当然小鼠这样的模型需要的数据更少一点，因为它们的大脑没有那么复杂。

这些大脑模型，不仅是建立在静态神经科学数据上，也是建立在行为认知的实时数据上。在这个模型里面，我们会有一些行为的数据，同时这个模型还能预测在模型里做修改的话，会产生什么样的行为。也就是说，这个模型能够预测一些结果，对这些结果我们将来可以做实验验证，实验验证数据出来以后，可以进一步改进模型。

我们会得到未来计算科学的一个模型。我们不仅仅可以从大脑当中提取出计算的一些规律，帮助我们设计未来的计算机，同时也可以帮助我们更好地改进现在的计算机，可以使得现在的计算机更好地帮助理解大脑的工作方式。

我们下一步的想法是可以把世界各大医院的关于人类大脑的数据搜集起来，对于我们来说，最大的挑战，是怎么样在不侵犯患者私人隐私的情况之下，把这些大脑的信息搜集起来。

这当中每一个部分，都是相对应人类大脑计划的一个平台，比如说我们有一个大脑模拟平台，它相当于一个通道，在这个平台上可以对人类大脑进行模拟，这个模拟是在高性能的计算机平台上进行的。除此之外，我们还有医学以及神经信息学这样一个平台，主要涉及的是怎么样把不同渠道的信息搜集起来。

我们还有另外一个平台叫做神经机器人学，它主要研究的方向是人类身体不同组成部分之间连接的情况。我们不仅仅要了解人类的大脑，同时，也要去了解与人类大脑相连接的身体组成部分，就像古希腊和古罗马人所说的，只有一个健康的心灵，没有强壮的体魄是不够的，我们必须去研究健康的体魄。

（四）

介绍一下瑞士洛桑在这方面的研究，我们对大脑新皮层的回路做了一个研究。大脑皮层包含了数量极其巨大的神经元。我们计划对所有的神经元进行扫描，然后在大脑当中进行一个再现，在三维空间当中进行一个电脑三维再构建。

从电子显微镜下所展示的神经元的情况看，人脑对信息的传递和接收的速度是非常快的，而且在每一个神经元的细胞当中，可以看到有不同的电子信号传递的行为。

我刚刚所说的只是冰山一角，可以看到在我们人类的大脑当中，没有任何空白的区域，有些人说我们人类只是利用了大脑一部分的区域，其实不然，这句话完全是无稽之谈。

·现场提问选登·

江世亮：脑科学计划比当年的人类基因组计划要更复杂，90年代初，动用了国际合作的模式，经过十年多的时间，终于把人类基因组的整个图谱搞出来了，当时中国也参加了。现在的人脑计划是更

通过我们计算机的模拟，可以看到不同的神经元之间沟通的结果，有成千上万的神经元和另外的成千上万的神经元进行了非常复杂的传递对接。

为了得到这个研究结果，我们在超级计算机上运行了整整一天，而截取的范围横向只是对应于大脑当中的一毫米，纵向也仅为二毫米，这么小的一个范围要在超级计算机上运行整整一天，更不用说整个大脑的范围。

首先我们要应对怎么来处理这么大规模的数据，我们可以考虑的一点，可以把我们的数据变成一个模型。初步建立的模型可能不是很准确，但随着实验数量的增加，可以对这些已建成的模型进行修正，这样的话，可以使我们的模型变得更好。

我们目前已对实验室的小鼠做当中的 7 500万的神经元作了研究，我们依据从数据库中所截取的数据建立起一个老鼠大脑的三维模拟。我们对单个的皮质区进行了研究，把它推广之后，可以对整个老鼠的大脑进行3D的再现和模拟。

下一步我们要围绕这样一个大脑的模型建立一个虚拟的3D老鼠，这样的话，就可以更好地了解到老鼠的大脑怎么样跟它的身体进行一个互动。我们对虚拟小白鼠的大脑进行触发之后，可以看到它可以做出类似舞蹈的动作，对它的左腿进行敲击时，它的右大脑被触发，这实际上跟人脑的工作原理是一样的。

最后我想对演讲做一个总结。第一步，我们可以通过模拟对模型进行一个简化，下一步要从模拟变成机器人。怎么样通过我们的研究结果得到一些启发，怎么样在机器人上面作出一些新的研发，包括怎么样把人类肌肉键考虑进去，是我们下一步研究的方向。复杂的一个计划，现在听过有美国的脑计划、欧洲的脑计划、日本的脑计划，今天知道，中国也在积极筹划自己的脑计划，是不是能参照当年的人类基因组计划，形成合力，为什么不能沿用原来成功的模式呢？

还有一个问题，想问蒲慕明教授，您刚才提到中国的脑科学，将会重点聚焦在脑的工作原理和脑的重大疾病上。我在一年前听讲中科院有一个脑的先导计划，主要针对中国人群脑的重大疾病，包括癫痫、痴呆症等，今天您讲的中国脑计划，是不是意味着中科院的计划已上升到国家的计划？

欧利弗：回答您第一个问题。我们在欧洲开展的脑科学研究有几百个学术机构进行了合作，而且不仅仅在欧洲内部进行合作，我们还跟美国、日本和中国的同行进行了合作。我觉得背后的理念，我们所有国家的这些脑研究的计划都是合作的一部分。 奥巴马总统当时宣布大脑计划的时候，他强烈地倡议说，我们希望能够在不同的国家的脑研究计划之间进行协调。如果仔细看一下，可以看到欧洲和美国的两个人类大脑研究计划之间的互补性是非常强的，这是非常可喜的一个现象，而且美国的计划是稍稍迟于欧洲计划宣布的。

就像500年前大航海时代的情况，如果要进行大航海要经过精心的准备，今天我们这些脑科学项目相当于大航海，我们需要精心的准备，要花很多的心思选择研究的方 向。同样的道理，中国的脑研究计划，我想肯定跟日本的计划有异曲同工之处，专注于专门的领域，可以为更好的国际合作做铺垫。

欧洲的人类大脑计划，是主要由欧盟进行资金赞助的项目，除此之外，所有来自于世界其它国家的研究机构，也非常欢迎加入我们这样一个人类大脑研究的计划，这是我们人类整个科学研究的重要组成部分。

你说到的人类基因组计划，把它与现在的大脑研究计划进行比较是非常有意思的一件事情。人类基因组计划是一个线性的研究，其唯一的一个任务，是对人类所有的DNA的序列进行一个序列的排列。

当然，随着人类基因组计划的推进，科学家也发现了众多可以演化出来的研究领域，尽管它主要的研究目的是要对人类DNA的序列进行排序。但现在的人类大脑研究计划不是那么简单，它的纬度可以多达十多倍。毫无疑问，人类大脑研究计划更需要合作。可能我们要能够得到很好的人类大脑研究计划的结果，需要的不是十年的研究时间，而是上百年的时间。

蒲慕明：中科院的项目是研究脑功能的图谱，实际上和美国的脑计划非常类似的，希望研究各种脑功能的连接是怎么产生的。现在讨论的中国脑计划，是希望在中科院的那些比较基础性的研究之上，能够扩展到全国各个单位，各个研究机构，都能够参与到这个项目。

中国要做什么样的脑计划呢？大家讨论后认为我们一定要做出有中国特色的、要能够世界领先的工作，也是中国希望能够在前沿领域作出世界领先的成果。所以，要考虑到什么样的工作，在中国可以做世界领先，世界领先实际上也就是说能够达到世界前沿。

脑科学的目标是非常遥远的，理解大脑可以说现在是看不到止境的，可以说一百年都有可能看不到止境，刚才大家提出的问题可能一百年的时间也解答不了。所以在中国资源有限的情况下，做什么样的东西，最能够对前沿有贡献是很值得思量的。我们认为美国的计划注重开发能够了解大脑的新技术，就是非常有特色和贡献的。欧盟脑计划的特点是用模拟脑的技术。

在这些新技术没有出来，或者在出来的过程中，我们中国可以更专注做直接跟社会比较有关的，不需要等到那些新技术全部出来之后再去关注疾病的问题，因为疾病的问题非常迫切。如果到2050年，还不能大幅缓解脑部相关疾病的话，社会负担是受不了的，1亿的老年痴呆患者，任何社会的医疗系统都要崩溃的。

所以，我们在没有了解脑之前，可以有一些工作能够提供对脑疾病的早期诊断指标，让我们做早期干预，在这个领域，中国有大量的需求，我们可以在这上面有些贡献。再加上中国有很大的灵长类动物的资源，在猴类上做试验是可以的，跟人非常相近。

我们中国在猴类基因操作上已经领先了，可以做出疾病模型，做出早期干预的试验，然后在人的身上能够利用。这是中国脑计划将来的一个希望。

[本刊根据现场速记稿整理而成，整理人：李 辉]