文 | 追問NextQuestion，作者 | 輕盈，編輯 | lixia
2003年4月14日，“人類基因組計劃”（Human Genome Project， HGP）宣告基本完成，邁開了人類解讀基因組這本無字天書的重要一步。
這項工作由來自多個國家的科研團隊共同合作完成，期間投入了大量的人力物力財力，短短十年順利攻克了“人類基因組是什么樣？”這塊硬骨頭。如果把科學(xué)研究比作一個探秘“未知”的歷程，那么在人類基因組計劃之后，代表人類野心的“珍妮特號”又將駛向何方？
這一回，科學(xué)家們把新的目標指向了——大腦。
大腦大概是生物學(xué)領(lǐng)域最迷人的研究對象了。曾有科學(xué)家估算，人腦中有接近千億的神經(jīng)元數(shù)目，更有接近千萬億的突觸數(shù)量*。我們腦中廣闊的神經(jīng)元宇宙讓我們具備語言、意識、思維等高級認知過程；而利用人類自己的智慧去揣度造物主的“設(shè)定”無疑是世界上最具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)命題。再者，我們對于大腦的認識也將幫助我們更深入地開發(fā)極具前沿性的類腦智能以及診治一些棘手的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，此舉可謂意義深遠。（*注：銀河系的恒星大約有1-4千億顆，而宇宙中的恒星約有200萬億顆，因此大腦也被稱作三磅小宇宙））
顯然，大腦研究的重要性，已成為世界共識。這場關(guān)于“破譯大腦之謎”的科技競賽已在全世界各國之間轟轟烈烈展開。十年前，即2013年，美國奧巴馬政府和歐盟分別啟動“美國腦計劃”（BRAIN Initiative）和“歐盟腦計劃”（Human Brain Project，HBP）。在這之后，日本和其他國家也相繼開啟了自己的腦計劃項目。在這樣的大環(huán)境下，孕育多年的“中國腦計劃”，也在2021年正式拉開序幕。
屬于腦科學(xué)的時代來了。
雖說世界各國腦計劃的核心問題相似——準確地弄清楚人腦中數(shù)百億個神經(jīng)元和數(shù)萬億個突觸是如何組織成有功能的神經(jīng)環(huán)路，讓人得以墜入愛河、寫詩吟唱或解決數(shù)學(xué)問題的，但各國腦計劃的側(cè)重存在明顯差異。
（一）歐盟：模擬大腦——缸中之腦的狂想
“歐盟腦計劃”（Human Brain Project，HBP）和石墨烯項目是2013年歐盟為促進歐洲工業(yè)發(fā)展所資助的唯二的旗艦項目。“歐盟腦計劃”一方面繼承了歐盟在神經(jīng)元啟發(fā)計算方面的跨學(xué)科合作歷史，另一方面則繼承了“瑞士藍腦計劃”中狂熱的“模擬整個大腦，建立統(tǒng)一模型”的志向。
簡單來說，“歐盟腦計劃”的主要目標是設(shè)計并應(yīng)用六個計算平臺。
?圖源：追問編輯部
同時涉及四個子項目：小鼠大腦研究；人腦研究；建立行為認知過程和大腦狀態(tài)的實驗裝置、方法和模擬；以及開發(fā)從細胞到網(wǎng)絡(luò)級別的大腦模型，包括詳細模型、簡化模型和群體模型。
（二）美國：神經(jīng)技術(shù)——欲善其事，先利其器
“美國腦計劃”以神經(jīng)技術(shù)開發(fā)為主導(dǎo)，全稱為The Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies（BRAIN），即“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)的腦研究計劃”。該計劃的初期目標是加速創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，在時間和空間上構(gòu)建腦細胞和復(fù)雜神經(jīng)環(huán)路快速相互作用的動態(tài)圖像，最終目標是開發(fā)和使用工具來獲得有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)在健康和疾病狀態(tài)下是如何發(fā)揮作用的生物學(xué)認識。
該計劃提出了7個優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，依次為：
2022年，“美國腦計劃”宣布進入了“BRAIN 2.0”時代。項目目標將進一步聚焦在以下三個方面：建立一個全面的人類腦細胞類型圖譜，構(gòu)建完整的哺乳動物大腦微連接圖譜，開發(fā)可以精準定位特定腦細胞的工具。
（三）中國：腦疾病——為人群滅除疾苦
“中國腦計劃”雖然以基礎(chǔ)研究為主體，但并未把應(yīng)用設(shè)置為遙遠的目標，而是放在同等重要、目前的目標上?？紤]到中國腦科學(xué)研究具備的腦功能紊亂患者眾多以及大量的靈長類動物的獨特優(yōu)勢，大腦疾病的關(guān)注是“中國腦計劃”的特色。
具體而言，中國腦計劃主要圍繞“一體兩翼”的部署展開?！耙惑w”，就是闡釋人類認知的神經(jīng)機制基礎(chǔ)為主體和核心；“兩翼”，指腦重大疾病研究及通過人工智能推進類腦研究?？傮w目標是在未來15年內(nèi)，在大腦認知科學(xué)、大腦疾病診療、類腦智能器件三個前沿領(lǐng)域取得國際領(lǐng)先的成果。
（一）馬克拉姆和他的科學(xué)英雄主義
“歐盟腦計劃”的前負責(zé)人是亨利·馬克拉姆（Henry Markram）。
美國艾倫腦科學(xué)研究所所長克里斯托夫·科赫（Christof Koch）曾評價他稱，“亨利有兩種性格，一個是一位出色、清醒的科學(xué)家……另一個是具有公關(guān)意識的救世主。”
馬克拉姆于1962年出生于南非喀拉哈里沙漠。少年時期在南非求學(xué)一段時間后，于1991年，在以色列一流的研究單位魏茨曼研究所獲得神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位。在此期間，馬克拉姆對“大腦是如何工作的”的研究方向產(chǎn)生極大的熱情。這種熱情也為馬克拉姆后來的人生埋下了伏筆。正如科赫所言，馬克拉姆是一位出色的科學(xué)家。馬克拉姆早期的研究主要集中在大腦的化學(xué)調(diào)節(jié)上。在這個領(lǐng)域，馬克拉姆有諸多成就，特別是尖鋒-時間依賴性可塑性學(xué)說（Spike-timing dependent plasticity）的構(gòu)建——神經(jīng)連接的強度根據(jù)脈沖到達和離開的時間而變化。
另一方面，馬克拉姆也是一個野心勃勃的科學(xué)家。他認為獨立的實驗研究無異于盲人摸象，對于大腦的全局性理解還遠遠不夠，神經(jīng)科學(xué)家必須能系統(tǒng)地匯總他們的發(fā)現(xiàn)。而借助計算機，可以將所有這些模型（如離子通道的分子結(jié)構(gòu)）明確地編碼并使它們協(xié)同工作。這將有助于研究人員找出他們知識中的空白和矛盾，并確定需要解決這些問題所需的實驗。2005年，馬克拉姆創(chuàng)建“瑞士藍腦項目”，旨在在細胞水平上重建和模擬人類大腦。雖然“藍腦計劃”取得了一定進展，但馬克拉姆的最終目標是整合整個大腦的數(shù)據(jù)。在2009年，命運女神再次降臨。馬克拉姆關(guān)于腦計劃的創(chuàng)想，獲得了歐盟的資助。這個故事也是“歐盟腦計劃”誕生的前傳。
（二）發(fā)現(xiàn)了“亨廷頓舞蹈癥”基因的音樂家
“美國腦計劃”主要的帶頭人是弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）。
1950年，柯林斯出生于美國弗吉尼亞州斯湯頓，并在農(nóng)場度過了無憂無慮的童年。他在家跟著母親學(xué)習(xí)文化知識，閑暇時和父親一起演奏音樂。1970年獲得弗吉尼亞大學(xué)學(xué)士學(xué)位后，他前往耶魯大學(xué)攻讀碩士和博士學(xué)位。1977年，他又在北卡羅來納大學(xué)教堂山分校獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位?？铝炙沟膶W(xué)術(shù)成就眾多。其原創(chuàng)性地發(fā)明了“位置克隆”的遺傳方法，破譯了與一系列重要遺傳疾病包括囊腫性纖維化、神經(jīng)纖維瘤病、亨廷頓舞蹈癥、家庭性甲狀腺非髓質(zhì)癌綜合征相關(guān)的基因。
后來，柯林斯接受邀請，繼詹姆斯·沃森（James Watson）*之后，成為美國國家人類基因組研究中心的第二任院長。在此職位上，柯林斯監(jiān)督了基因組計劃中幾項目標的成功完成。2013年，美國總統(tǒng)奧巴馬又點名任命了當(dāng)時為國立衛(wèi)生研究院（NIH）院長的柯林斯再次負責(zé)“美國腦計劃”的實施。（*注：詹姆斯·沃森曾和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）共同解析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，1962年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎獲得者之一。）
除了科學(xué)家的身份外，柯林斯還是一名有趣的音樂家，熱愛彈吉他，在擔(dān)任NIH院長期間經(jīng)常為工作人員、福利會表演。而在NIH的網(wǎng)絡(luò)平臺上，也經(jīng)常可以看到柯林斯的音樂作品。
（三）從物理學(xué)轉(zhuǎn)型的蒲先生
“中國腦計劃”由蒲慕明院士主持。
1948年，蒲慕明出生于我國江蘇省南京市。1966年，蒲慕明在臺灣清華大學(xué)物理系就讀。雖說是物理學(xué)出身，但他一直對生物學(xué)有著濃厚興趣。1968年，他讀到詹姆斯·沃森的《雙螺旋》，發(fā)現(xiàn)生物物理學(xué)方法X射線晶體學(xué)竟解決了生物學(xué)中最重要的問題之一——基因復(fù)制的機制。受此啟發(fā)，蒲慕明選擇加入美國約翰霍普金斯大學(xué)杰出生物物理學(xué)家理查德·科恩（Richard Cone）的實驗室，并于1974年獲得生物物理系博士學(xué)位，其之后又先后在美國伍茲霍爾海洋研究所、美國普渡大學(xué)生命科學(xué)系從事博士后研究，實現(xiàn)了他從物理學(xué)到生物學(xué)的轉(zhuǎn)型。
蒲慕明在神經(jīng)元軸突生長導(dǎo)向、神經(jīng)元極性建立、突觸的形成和可塑性、神經(jīng)環(huán)路的功能和可塑性等方面都有重要發(fā)現(xiàn)，極大地推動了我國神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。求是科技基金會曾評，“蒲慕明在神經(jīng)生物學(xué)的研究中發(fā)明和發(fā)展了一系列新理論技術(shù)，創(chuàng)造了神經(jīng)生長中對導(dǎo)向分子的反映，并闡明了神經(jīng)生長進行方向決策時細胞類的信號傳導(dǎo)機制。在過去20年發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)營養(yǎng)因子可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的信號傳遞，也對神經(jīng)信號的時間信息存儲機制進行了定量的分析。這些工作對理解神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育機制，大腦如何儲存長時間記憶以及如何修復(fù)腦神經(jīng)損傷做出了非常重要的貢獻?！?/p>
?圖注：各國腦計劃主要負責(zé)人。從左到右，馬克拉姆、柯林斯、蒲慕明。圖源：左，wikipedia；中，wikipedia；右，上?？萍键h建
（一）歐盟
在“歐盟腦計劃”自己的總結(jié)中，他們這樣描述已經(jīng)獲得的成果：“該項目開創(chuàng)了數(shù)字神經(jīng)科學(xué)的先河，即創(chuàng)建了一種基于多學(xué)科合作和高性能計算研究大腦的新方法。HBP將通過EBRAINS研究基礎(chǔ)設(shè)施和該領(lǐng)域的新協(xié)作方式，在多年內(nèi)將繼續(xù)對神經(jīng)科學(xué)產(chǎn)生影響。”在這10年間，HBP一共出版了3000多種學(xué)術(shù)論文和160多種數(shù)字工具、醫(yī)療和技術(shù)應(yīng)用、開放式研究基礎(chǔ)設(shè)施——EBRAINS——以及一個跨國且跨學(xué)科的學(xué)術(shù)社區(qū)。
EBRAINS是一個集成式的數(shù)字平臺，是HBP的重要成就，集合了HBP目標中的6個基礎(chǔ)計算平臺。EBRAINS的創(chuàng)設(shè)將方便科研人員和臨床專家使用HBP提供的統(tǒng)一資源與服務(wù)，包括成果、工具、軟件、硬件架構(gòu)、仿真環(huán)境等。
此外，HBP還積累了一些重要且有用的科學(xué)知識和技術(shù)應(yīng)用。比如繪制出至少200個腦區(qū)的詳細的解剖-突觸連接-功能圖譜；繪制完成人類海馬體中2.5萬個突觸的三維地圖；開發(fā)用于研究癲癇的數(shù)字孿生的大腦模型；同時還包括可用于危險作業(yè)的仿人機械手，還有非常酷炫的仿人腦計算機SpiNNaker等等。
（二）美國
繪制大腦細胞圖譜是了解大腦在健康和疾病狀態(tài)下如何發(fā)揮作用的關(guān)鍵一步。在“美國腦計劃細胞普查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）”項目中，最新發(fā)表了21篇論文詳細介紹了人類大腦和非人靈長類動物大腦中異常復(fù)雜的細胞多樣性。這些研究確定了人類大腦和非人靈長類動物大腦中細胞組織方式以及基因調(diào)節(jié)方式的相似性和差異。
在腦連接圖譜方面，“美國腦計劃”研究團隊更是首次繪制了果蠅幼蟲大腦中所有神經(jīng)連接的連接圖譜。
而在神經(jīng)技術(shù)方面，“美國腦計劃”也有一系列成就。可穿戴式的腦磁圖（MEG）腦掃描儀于2018年問世，研究人員可以實時跟蹤測試者在進行日?；顒訒r的神經(jīng)活動——無論是喝茶、敲鍵盤、與朋友交談，甚至是打板球。掃描共焦對齊平面激發(fā)顯微鏡（SCAPE）的成像系統(tǒng)可以對活體組織進行三維成像，將用于臨床上疾病檢測、手術(shù)指導(dǎo)和篩選移植器官。
加州大學(xué)伯克利分校的盧多維克·貝利爾（Ludovic Bellier）和羅伯特·奈特（Robert Knight）更是使用計算機模型，嘗試根據(jù)音樂在聽眾中引起的大腦活動來重建音樂。
（三）中國
截止到目前，中國腦計劃已實施兩年，還有許多重大項目在研究過程中，比如中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”項目，試圖繪制斑馬魚、小鼠以及非人靈長類動物的全腦尺度的基因表達與神經(jīng)元類型，介觀結(jié)構(gòu)神經(jīng)聯(lián)接圖譜和功能神經(jīng)聯(lián)接圖譜。
2023年7月，國內(nèi)外多家單位合作，利用我國自主研發(fā)的超高精度大視場空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)Stereo-seq和高通量單細胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)DNBelab C4 snRNA-seq，繪制了世界首套單細胞分辨率的獼猴大腦皮層細胞空間分布圖譜。此項工作轟動一時，中國腦計劃初露鋒芒。
2023年，是歐盟腦計劃啟動的第十年。今年8月份，nature雜志發(fā)布了一篇關(guān)于“歐盟腦計劃”功過評說的報道，報道承認了歐盟腦計劃十年間帶給世界的科研成就，譬如上文提到的對至少200個腦區(qū)繪制解剖-突觸連接-功能圖譜，使用超級計算機來模擬意識和記憶的過程等，但也毫不吝嗇地總結(jié)了歐盟腦計劃在實施過程中所犯過的一些錯誤——研究目標過于宏大、項目資金分配混亂以及項目合作的碎片化等問題。
“美國腦計劃”發(fā)展勢頭良好，在2022年，宣布進入了“BRAIN 2.0”的時代。“中國腦計劃”則如初生牛犢，蓄勢待發(fā)。
當(dāng)下，人工智能的迅猛發(fā)展更是助推了人類腦計劃進程。通過機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究，科學(xué)家們得以更深入地理解人類大腦的工作方式和認知過程。人工智能技術(shù)在模仿大腦的功能方面發(fā)揮了重要作用，特別是在處理信息、模式識別和學(xué)習(xí)方面。通過這些技術(shù)，科學(xué)家能夠模擬人類大腦在執(zhí)行任務(wù)時的方式，這為研究認知功能和神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新的視角。此外，人工智能也被用于解讀和分析神經(jīng)成像數(shù)據(jù)，幫助科學(xué)家們更好地理解腦部活動和結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)的應(yīng)用更是為腦科學(xué)研究提供了更深入、更廣泛的探索空間，有望加速對大腦奧秘的理解。
當(dāng)然，也有不少人可能會存有質(zhì)疑：這些腦計劃項目的開展能夠多大程度上推動人類智識的進步，傾盡如此巨大的財力物力人力究竟值不值得？就像《冰雪王國》中船長夫人的疑問，“珍妮特號探險到底值不值得——他們經(jīng)歷了那么多艱險、苦悶、犧牲，卻只是在人類最終尋找北極圣杯的路途上前進了那么一小步。為了這點兒知識，讓那么多人付出了生命，代價是不是太高了？”
也許對于每個這個領(lǐng)域的探索者而言，答案會是“為什么要出發(fā)？——因為山就在那里?！?/strong>
參考文獻
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