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“人类脑科学研究计划”：谁来圆梦？

WANG Zhe-Chen^*

复旦大学神经生物学研究所，上海 200032

Abstract

1 “人类脑科学研究计划”：下一个“人类基因组计划”？
美国奥巴马政府在2013年4月正式宣布启动的“推动创新性神经生物技术进行脑科学研究”计划(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)，简称脑科学研究计划(BRAIN计划)，旨在搞清楚人类大脑中每一个神经元的活动和功能，绘制出一张详细的脑神经元活动地图，所以又被称为“全脑神经元图谱”计划，其雄心之壮勃，规模之宏大，投入之靡巨，堪与当年的人类基因组计划(Human Genome Project，又称为“人类全基因组图谱”计划)媲比。脑科学研究计划为期10年，总投入愈30亿美元。美国当年搞人类基因组计划，就“烧”了这么多钱，所以美国国家卫生研究所(NIH)等参考了前者，制定出了30亿的预算。
脑科学研究计划之肇始，最早可以追溯到2011年9月。当时Kavli基金会组织在英国伦敦举办的一次科学研讨会，与会科学家们首次提出了绘制全脑神经元活动图谱的庞大构想，这一构想随后得到了美国和全世界相关领域科学家们的响应，美国政府的官方实验室、霍华德·休斯医学研究所(美国最富有的资助生物和医学研究的私人基金组织之一，仅次于比尔和梅琳达·盖茨基金会)、艾伦脑科学研究所(由微软前CEO保罗·艾伦创办的非营利性科研机构)等大型机构对此构想表现出极大兴趣，甚至连谷歌、微软等大公司也密切关注着该构想的最新进展。
在各方努力下，美国总统奥巴马终于在2013年4月2日的新闻发布会上宣布了脑科学研究计划的启动，众议院多数党领袖Eric Cantor对此计划表示了支持，艾伦脑科学研究所、霍华德·修斯医学研究所、Kavli基金会、Salk生物研究所等也宣布了各自的参与投入预算。由神经生物学家Cornelia Bargmann (洛克菲勒大学教授，以对线虫嗅觉的研究而著名)和William Newsome (斯坦福大学教授，电生理学专家)领导的工作组将在2013年夏季结束之前制订出更详细的、包含具体步骤和时间节点的计划。
2 “人类脑科学研究计划”：挑战与梦想并存
人类大脑中约有一千亿个神经元，想要把这一千亿之中每一个神经元的活动和功能搞清楚，绝非易事。近几十年来，科学家们已在线虫、果蝇等低等动物的“脑”(严格意义上说来，他们的神经系统尚不具备可以称作“大脑”的复杂机构)进行了大量研究，这些低等动物的神经环路结构相对简单，所含神经元数量较少(线虫全身只有302个神经细胞，果蝇“脑”中有几十万个)，适合用于神经元图谱绘制。此后，科学家们的关注重点将转移到斑马鱼、小鼠等大脑更为复杂的生物上，这些生物的大脑结构与人类的更加接近。基于在这些研究中积累的足够知识和经验，科学家们最终将在后期挑战记录所有人类大脑神经元的活动——揭秘这块“生命科学最后的禁区”。在不断创新的技术中，纳米生物技术将在研究工作中大有前景，比如纳米探针能够用于电生理多电极记录，且具有无创的特点。
科学家们对于这项庞大的计划的希望与担忧并存。神经生物学家John Donoghue称，脑科学研究计划将能够填补原本单个神经细胞层面研究与整块脑区层面研究之间的空白，起到“桥梁”作用。心理学家Ed Vul则担心这项研究计划需要大量经费投入，从而会挤兑其它相关领域科研项目的资金申请。神经生物学家Donald Stein怀疑这一项目的大部分时间和精力会花费在技术和方法的研发上，而非课题本身。物理学家Michael Roukes则反驳前者的说法，他认为未来的纳米技术将会足够成熟到可以用来绘制神经元活动图谱，对技术研发成本过高的担心有些杞人忧天了。
另一方面，在2013年1月的一次会议上，神经科学家们预测这一项目每年将产生300 EB的数据量(相当于3.2 × 1011 GB数据量，据估算，2011年整个互联网的容量总和不超过525 EB，可想而知这是多大的数据量)，如何存储这些数据成了一个物理性的难题。此外，迄今为止绝大多数的脑活动精确测量技术都会对实验体造成创伤(如开颅电极记录等)，因此它们在人类被试上的应用也将受到限制。
倘若脑科学研究计划最终实现目标，成功绘制出全脑神经元活动图谱，那么其所带来的回报也将是巨大的：1998年到2003年间，美国政府总共投入了38亿美元在人类基因组计划上，到现在，人类基因组计划产生的经济利润累计已经达到7 960亿美元——相当于每1美元的投资就能够产生141美元的收益！难怪美国政府肯在经济低迷时下大血本投资神经生物学产业了，奥巴马政府也许期望，脑科学研究计划能够像人类基因组计划一样，带动下一次科学发展和经济繁荣。
3 欧洲脑科学研究战略：计算机模拟大脑的疯狂构想
欧盟委员会于2013年1月28日宣布，人脑计划(HBP)和石墨烯计划(GRAPHENE)两项研究方案通过层层角逐，最终入选成为欧盟“未来新兴技术旗舰项目”(Future and Emerging Technologies Flagships)，将在未来10年中各自获得高达10亿欧元的经费支持。
瑞士洛桑联邦理工学院的Henry Markram教授作为人脑计划的总监，将领导开展一项充满挑战、同时亦颇具争议的研究：建造一台超级计算机来模拟人类大脑运作。其中将整合与人类大脑有关的一切信息，从神经元细胞膜上离子通道的结构，到行为决策背后的神经生理机制，无所不包。
“全世界每年有近6万篇与脑研究相关的论文发表，这些研究都很漂亮，做得很好，但是却仅仅关注了某一个很小的角落，比如某种分子，某个脑区，某类功能，某条通路等等”。Markram教授表示，他希望通过欧盟赞助的人脑计划，建立起计算机模拟的人脑模型，从而整合各个层面的发现，以探索神经回路的组织，行为和认知的产生等等，并最终能够帮助研究者们解开诸如阿尔茨海默病的神经疾病发病机制之谜，“如果我们没有一个整体性的视角的话，我们就无法真正理解这些疾病。”
4 中国脑科学研究战略：紧跟世界潮流
美国政府于2013年4月2日宣布启动脑科学研究计划后，我国政府对此也高度重视。4月底，国家科技部基础研究司在北京召开了“脑科学发展战略研讨会”，“973”计划专家顾问组成员，以及“973”首席科学家代表等20多位专家出席了该会议。会上，除了交流美国脑科学研究计划出台的背景、内容、特点及其面临的关键技术问题、欧盟“人脑研究计划”、以及我国的脑科学研究部署情况以外，与会专家还讨论了国内外脑科学新的发展趋势，分析我国脑科学研究现状和未来发展方向，探讨面临的困难和挑战，并提出了相关建议。
5月底6月初，科技部基础研究司又在杭州召开了脑科学战略研讨会暨项目网络会议，出席这次会议的30余名院士、“973”计划首席科学家和临床专家，围绕智力、心理、遗忘的神经基础、老年痴呆、抑郁症、帕金森病等疾病基础研究，以及神经影像、脑机结合等交叉研究方向，展开了热烈讨论。当前，“973”计划在脑与认知科学领域的在研项目已经达到27项，未来或许会强调增进项目间的网络交流，进一步整合资源，统筹规划。
在美国和欧洲激烈争抢脑科学研究领域战略制高点之际，中国无疑不会甘居人后，相信国家将继续加大投入，发挥我国的优势和特色，推动学科交叉，加强基础研究，加快提升我国脑科学研究的水平。
另外，还有一件有意思的新闻值得一提，当国家科技部基础研究司“脑科学发展战略研讨会”召开之后，三支涉及人脑疾病药物研发的股票：复旦复华、冠昊生物、华海药业，也开始悄悄地受到股民的追捧，嗅觉敏锐的股票市场分析师认为，这些股票有望直接从脑科学领域的技术进步中获益。

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Corresponding author: 王喆辰　　E-mail:

Citing This Article：

WANG Zhe-Chen. “人类脑科学研究计划”：谁来圆梦？. Acta Physiol Sin 2013; 65 (4): 466-468 (in Chinese with English abstract).