美國的大型腦科學計劃聚焦在新技術開發
美國的大型腦科學計劃聚焦在新技術開發
日期：2013-08-21 作者：蒲慕明 來源：文匯報
斥巨資推進人腦研究，提宏大研究愿景 美國將從新技術的開發著手
□中科院外籍院士中科院上海生科院神經所研究員 蒲慕明
我今天主要介紹今年美國總統奧巴馬提出的腦計劃，也簡單介紹一下歐盟推出的人腦計劃。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“腦活動圖譜計劃（Brain Activity Map）”。在談到這個計劃時他說，科學家將把大腦里所有的神經細胞（神經元）的活動記錄下來。有了這種資料，就能進一步理解大腦的功能，也能幫助治療腦疾病。
最大動機是為醫療減負
奧巴馬提出腦計劃的主要社會背景，是腦疾病正引發越來越大的醫療負擔問題。現在，如阿爾茲海默癥、帕金森氏病、中風、抑郁癥等腦疾病的負擔已經成為全球醫療負擔中最大的一項。2005年，世界衛生組織的估計達到28%（包括社會負擔、醫療負擔），高于心血管病，高于癌癥。如此重負是美國社會所無法承擔的。這個問題不解決，二十年、三十年后，整個美國醫療系統將要破產，這是奧巴馬政府最大的壓力。
美國腦活動圖譜計劃的主要目標是科學家所提出的“紀錄每一個神經元的每一個脈沖 （record every spike from every neuron）”。假如我們知道大腦進行其功能時每一個神經元的電活動，我們就可能會理解正常的腦功能，以及腦疾病是怎么發生的。
現有最好的電活動探測技術是“鈣成像”。鈣成像反映的是一連串的神經脈沖，而不能反映單一脈沖；而且，目前最多只能紀錄一千個神經元的活動，而人腦有一千億個神經元。所以要發展新的技術。
首先要研發的是高效的神經元電活動的探針，其次要有觀察和紀錄探針信息的方法，最后要建立處理大量腦電活動信息的方法。科學家提出要研發的技術，是對電壓敏感的、能發熒光的納米粒子。這樣的納米探針必須對細胞膜電壓敏感，同時又有很高的時空分辨度。目前還完全沒有這樣的技術。
他們還提出，要使用新的納米技術做多通道的電極，以此來紀錄大量神經元的電活動。此外，測量探針信息和處理大量信息的方法，也需要有所突破。
科學界與白宮目標有異
提出腦活動圖譜計劃的科學家目標很清楚：五年之內，要獲得有302個神經元的線蟲和果蠅部分腦區（約1.5萬個神經元）的完整活動圖譜，這一點他們有信心。而10年內，要完成整個果蠅腦（約13.5萬個神經元）的電活動圖譜，包括每一個神經元在什么時候放電，做什么行為能夠放電等等。15年后，該計劃可能完成小鼠大腦皮層（約有數千萬個神經元）的完整電活動圖譜，而這將是非常巨大的挑戰。
奧巴馬提出在十年內花費30億美元，希望能對人腦的認識有所突破；但科學家只期望10年內完成果蠅和小鼠的電活動圖譜。這兩者的差距非常大。其實，奧巴馬科技政策辦公室的人也沒有告訴他，這個計劃真正可能達到的目標是什么。
人腦有1000億個神經元，到底哪一年可以搞清楚？進一步說，有了完整的人腦電活動圖譜，對神經科學的長遠發展會有意義，但對治療腦疾病有多大貢獻還是未知數。這個計劃提出了一個宏大的腦科學愿景，將能大幅度推動交叉學科開發，包括納米科學、微電子科學、計算機科學、分子生物科學等有關的新學科、新技術。但關鍵技術完成的可能性和時間難以估計，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。這次，奧巴馬改變了說法。他說我們現在稱其為“BRAINInitiative”（BRAIN既有“大腦”的意思，又是BrainResearch Through Advancing Innovative Neurotechnology的首字母縮寫，意為“基于創新型神經技術的腦研究”――編注)，這個計劃包括了腦活動圖譜以外的許多腦研究的新技術研發，如與醫療直接有關的腦機接合器件，對人腦和其他模式動物的研究也將不再位列其他簡單模式動物，比如線蟲和果蠅之后。
我認為在此時刻，腦功能聯結圖譜的建立應先于微觀細胞電活動圖譜的建立。在知道每一個神經元電活動之前，應該先知道各種腦功能的環路大致擁有怎樣的結構，包括了哪些腦區和哪些種類的神經元。 如果你對整個宏觀的或者環路層面上的聯結沒有搞清楚，那即使你知道每一個神經元的活動，還是不知道怎么分析，怎樣去理解它的規則。
歐盟想用電腦仿人腦
歐盟的人腦計劃是五年前開始的“藍腦計劃”（BlueBrain Project）的延伸。
“藍腦計劃”是一個用電腦來模擬鼠的大腦皮層的計劃。現在的歐盟計劃是十年，每年1.2億歐元，目標是歸納我們對人類腦部現已掌握的網絡聯結資料，通過超級計算機逐步構建模型以模擬人腦。該模型將使人類終能了解大腦和腦疾病，并為未來的計算機和機器人技術提供一個新的前景。
歐洲多數神經科學家都認為，現在做模擬腦，時機還不成熟，因為對大腦的理解目前還太粗淺，沒有足夠的準確參數去做模型。現在，即使做出了一個人腦模型，它的可靠性將大有問題，對腦科學和腦疾病資料都沒有什么用處。
也許是因為反對的聲音太大，最新的消息說這個計劃的內容已有些修改，也開始資助與模擬腦無關的研究項目。
應更注重腦病研究
最后，我覺得未來中國的腦研究計劃要跟歐盟、美國的不一樣，我們更應關注真正緊迫的問題，那就是怎樣治療腦疾病。
對許多腦疾病、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、早期干預是腦疾病治療未來最有希望的途徑。而且，未來更應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，及早干預可能是減輕腦疾病社會負擔最有效的方式。
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