圖片來(lái)源@視覺(jué)中國(guó)
文 | 追問(wèn)NextQuestion，作者 | 輕盈，編輯 | lixia
2003年4月14日，“人類(lèi)基因組計(jì)劃”（Human Genome Project, HGP）宣告基本完成，邁開(kāi)了人類(lèi)解讀基因組這本無(wú)字天書(shū)的重要一步。
這項(xiàng)工作由來(lái)自多個(gè)國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)共同合作完成，期間投入了大量的人力物力財(cái)力，短短十年順利攻克了“人類(lèi)基因組是什么樣？”這塊硬骨頭。如果把科學(xué)研究比作一個(gè)探秘“未知”的歷程，那么在人類(lèi)基因組計(jì)劃之后，代表人類(lèi)野心的“珍妮特號(hào)”又將駛向何方？
這一回，科學(xué)家們把新的目標(biāo)指向了——大腦。
大腦大概是生物學(xué)領(lǐng)域最迷人的研究對(duì)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(wàn)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(yǔ)言、意識(shí)、思維等高級(jí)認(rèn)知過(guò)程；而利用人類(lèi)自己的智慧去揣度造物主的“設(shè)定”無(wú)疑是世界上最具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)命題。再者，我們對(duì)于大腦的認(rèn)識(shí)也將幫助我們更深入地開(kāi)發(fā)極具前沿性的類(lèi)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(yuǎn)。（*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(wàn)億顆，因此大腦也被稱(chēng)作三磅小宇宙））
顯然，大腦研究的重要性，已成為世界共識(shí)。這場(chǎng)關(guān)于“破譯大腦之謎”的科技競(jìng)賽已在全世界各國(guó)之間轟轟烈烈展開(kāi)。十年前，即2013年，美國(guó)奧巴馬政府和歐盟分別啟動(dòng)“美國(guó)腦計(jì)劃”（BRAIN Initiative）和“歐盟腦計(jì)劃”（Human Brain Project，HBP）。在這之后，日本和其他國(guó)家也相繼開(kāi)啟了自己的腦計(jì)劃項(xiàng)目。在這樣的大環(huán)境下，孕育多年的“中國(guó)腦計(jì)劃”，也在2021年正式拉開(kāi)序幕。
屬于腦科學(xué)的時(shí)代來(lái)了。
雖說(shuō)世界各國(guó)腦計(jì)劃的核心問(wèn)題相似——準(zhǔn)確地弄清楚人腦中數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元和數(shù)萬(wàn)億個(gè)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(ài)河、寫(xiě)詩(shī)吟唱或解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的，但各國(guó)腦計(jì)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(jì)劃”(Human Brain Project，HBP)和石墨烯項(xiàng)目是2013年歐盟為促進(jìn)歐洲工業(yè)發(fā)展所資助的唯二的旗艦項(xiàng)目。“歐盟腦計(jì)劃”一方面繼承了歐盟在神經(jīng)元啟發(fā)計(jì)算方面的跨學(xué)科合作歷史，另一方面則繼承了“瑞士藍(lán)腦計(jì)劃”中狂熱的“模擬整個(gè)大腦，建立統(tǒng)一模型”的志向。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，“歐盟腦計(jì)劃”的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)并應(yīng)用六個(gè)計(jì)算平臺(tái)。
?圖源：追問(wèn)編輯部
同時(shí)涉及四個(gè)子項(xiàng)目：小鼠大腦研究；人腦研究；建立行為認(rèn)知過(guò)程和大腦狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置、方法和模擬；以及開(kāi)發(fā)從細(xì)胞到網(wǎng)絡(luò)級(jí)別的大腦模型，包括詳細(xì)模型、簡(jiǎn)化模型和群體模型。
（二）美國(guó)：神經(jīng)技術(shù)——欲善其事，先利其器
“美國(guó)腦計(jì)劃”以神經(jīng)技術(shù)開(kāi)發(fā)為主導(dǎo)，全稱(chēng)為T(mén)he Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies（BRAIN），即“推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)的腦研究計(jì)劃”。該計(jì)劃的初期目標(biāo)是加速創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，在時(shí)間和空間上構(gòu)建腦細(xì)胞和復(fù)雜神經(jīng)環(huán)路快速相互作用的動(dòng)態(tài)圖像，最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)和使用工具來(lái)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(rèn)識(shí)。
該計(jì)劃提出了7個(gè)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，依次為：
2022年，“美國(guó)腦計(jì)劃”宣布進(jìn)入了“BRAIN 2.0”時(shí)代。項(xiàng)目目標(biāo)將進(jìn)一步聚焦在以下三個(gè)方面：建立一個(gè)全面的人類(lèi)腦細(xì)胞類(lèi)型圖譜，構(gòu)建完整的哺乳動(dòng)物大腦微連接圖譜，開(kāi)發(fā)可以精準(zhǔn)定位特定腦細(xì)胞的工具。
（三）中國(guó)：腦疾病——為人群滅除疾苦
“中國(guó)腦計(jì)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(yuǎn)的目標(biāo)，而是放在同等重要、目前的目標(biāo)上?？紤]到中國(guó)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(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，大腦疾病的關(guān)注是“中國(guó)腦計(jì)劃”的特色。
具體而言，中國(guó)腦計(jì)劃主要圍繞“一體兩翼”的部署展開(kāi)。“一體”，就是闡釋人類(lèi)認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制基礎(chǔ)為主體和核心；“兩翼”，指腦重大疾病研究及通過(guò)人工智能推進(jìn)類(lèi)腦研究?？傮w目標(biāo)是在未來(lái)15年內(nèi)，在大腦認(rèn)知科學(xué)、大腦疾病診療、類(lèi)腦智能器件三個(gè)前沿領(lǐng)域取得國(guó)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(jì)劃”的前負(fù)責(zé)人是亨利·馬克拉姆（Henry Markram）。
美國(guó)艾倫腦科學(xué)研究所所長(zhǎng)克里斯托夫·科赫（Christof Koch）曾評(píng)價(jià)他稱(chēng)，“亨利有兩種性格，一個(gè)是一位出色、清醒的科學(xué)家……另一個(gè)是具有公關(guān)意識(shí)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(shí)期在南非求學(xué)一段時(shí)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(duì)“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(lái)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(gè)領(lǐng)域，馬克拉姆有諸多成就，特別是尖鋒-時(shí)間依賴(lài)性可塑性學(xué)說(shuō)（Spike-timing dependent plasticity）的構(gòu)建——神經(jīng)連接的強(qiáng)度根據(jù)脈沖到達(dá)和離開(kāi)的時(shí)間而變化。
另一方面，馬克拉姆也是一個(gè)野心勃勃的科學(xué)家。他認(rèn)為獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)研究無(wú)異于盲人摸象，對(duì)于大腦的全局性理解還遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算機(jī)，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(shí)中的空白和矛盾，并確定需要解決這些問(wèn)題所需的實(shí)驗(yàn)。2005年，馬克拉姆創(chuàng)建“瑞士藍(lán)腦項(xiàng)目”，旨在在細(xì)胞水平上重建和模擬人類(lèi)大腦。雖然“藍(lán)腦計(jì)劃”取得了一定進(jìn)展，但馬克拉姆的最終目標(biāo)是整合整個(gè)大腦的數(shù)據(jù)。在2009年，命運(yùn)女神再次降臨。馬克拉姆關(guān)于腦計(jì)劃的創(chuàng)想，獲得了歐盟的資助。這個(gè)故事也是“歐盟腦計(jì)劃”誕生的前傳。
（二）發(fā)現(xiàn)了“亨廷頓舞蹈癥”基因的音樂(lè)家
“美國(guó)腦計(jì)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(guó)弗吉尼亞州斯湯頓，并在農(nóng)場(chǎng)度過(guò)了無(wú)憂無(wú)慮的童年。他在家跟著母親學(xué)習(xí)文化知識(shí)，閑暇時(shí)和父親一起演奏音樂(lè)。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(lái)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(lái)，柯林斯接受邀請(qǐng)，繼詹姆斯·沃森（James Watson）*之后，成為美國(guó)國(guó)家人類(lèi)基因組研究中心的第二任院長(zhǎng)。在此職位上，柯林斯監(jiān)督了基因組計(jì)劃中幾項(xiàng)目標(biāo)的成功完成。2013年，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬又點(diǎn)名任命了當(dāng)時(shí)為國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）院長(zhǎng)的柯林斯再次負(fù)責(zé)“美國(guó)腦計(jì)劃”的實(shí)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(jiǎng)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(lè)家，熱愛(ài)彈吉他，在擔(dān)任NIH院長(zhǎng)期間經(jīng)常為工作人員、福利會(huì)表演。而在NIH的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，也經(jīng)常可以看到柯林斯的音樂(lè)作品。
（三）從物理學(xué)轉(zhuǎn)型的蒲先生
“中國(guó)腦計(jì)劃”由蒲慕明院士主持。
1948年，蒲慕明出生于我國(guó)江蘇省南京市。1966年，蒲慕明在臺(tái)灣清華大學(xué)物理系就讀。雖說(shuō)是物理學(xué)出身，但他一直對(duì)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(wèn)題之一——基因復(fù)制的機(jī)制。受此啟發(fā)，蒲慕明選擇加入美國(guó)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(shí)驗(yàn)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(guó)伍茲霍爾海洋研究所、美國(guó)普渡大學(xué)生命科學(xué)系從事博士后研究，實(shí)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(zhǎng)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(dòng)了我國(guó)神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。求是科技基金會(huì)曾評(píng)，“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(zhǎng)中對(duì)導(dǎo)向分子的反映，并闡明了神經(jīng)生長(zhǎng)進(jìn)行方向決策時(shí)細(xì)胞類(lèi)的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。在過(guò)去20年發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞，也對(duì)神經(jīng)信號(hào)的時(shí)間信息存儲(chǔ)機(jī)制進(jìn)行了定量的分析。這些工作對(duì)理解神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育機(jī)制，大腦如何儲(chǔ)存長(zhǎng)時(shí)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(xiàn)。”
?圖注：各國(guó)腦計(jì)劃主要負(fù)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(jì)劃”自己的總結(jié)中，他們這樣描述已經(jīng)獲得的成果：“該項(xiàng)目開(kāi)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(jì)算研究大腦的新方法。HBP將通過(guò)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(duì)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(kāi)放式研究基礎(chǔ)設(shè)施——EBRAINS——以及一個(gè)跨國(guó)且跨學(xué)科的學(xué)術(shù)社區(qū)。
EBRAINS是一個(gè)集成式的數(shù)字平臺(tái)，是HBP的重要成就，集合了HBP目標(biāo)中的6個(gè)基礎(chǔ)計(jì)算平臺(tái)。EBRAINS的創(chuàng)設(shè)將方便科研人員和臨床專(zhuān)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(shí)和技術(shù)應(yīng)用。比如繪制出至少200個(gè)腦區(qū)的詳細(xì)的解剖-突觸連接-功能圖譜；繪制完成人類(lèi)海馬體中2.5萬(wàn)個(gè)突觸的三維地圖；開(kāi)發(fā)用于研究癲癇的數(shù)字孿生的大腦模型；同時(shí)還包括可用于危險(xiǎn)作業(yè)的仿人機(jī)械手，還有非?？犰诺姆氯四X計(jì)算機(jī)SpiNNaker等等。
（二）美國(guó)
繪制大腦細(xì)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(guó)腦計(jì)劃細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)（BICCN）”項(xiàng)目中，最新發(fā)表了21篇論文詳細(xì)介紹了人類(lèi)大腦和非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物大腦中異常復(fù)雜的細(xì)胞多樣性。這些研究確定了人類(lèi)大腦和非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物大腦中細(xì)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(guó)腦計(jì)劃”研究團(tuán)隊(duì)更是首次繪制了果蠅幼蟲(chóng)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(guó)腦計(jì)劃”也有一系列成就?？纱┐魇降哪X磁圖（MEG）腦掃描儀于2018年問(wèn)世，研究人員可以實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)試者在進(jìn)行日?；顒?dòng)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)——無(wú)論是喝茶、敲鍵盤(pán)、與朋友交談，甚至是打板球。掃描共焦對(duì)齊平面激發(fā)顯微鏡（SCAPE）的成像系統(tǒng)可以對(duì)活體組織進(jìn)行三維成像，將用于臨床上疾病檢測(cè)、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(jì)算機(jī)模型，嘗試根據(jù)音樂(lè)在聽(tīng)眾中引起的大腦活動(dòng)來(lái)重建音樂(lè)。
（三）中國(guó)
截止到目前，中國(guó)腦計(jì)劃已實(shí)施兩年，還有許多重大項(xiàng)目在研究過(guò)程中，比如中國(guó)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(xiàng)目，試圖繪制斑馬魚(yú)、小鼠以及非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的全腦尺度的基因表達(dá)與神經(jīng)元類(lèi)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(guó)內(nèi)外多家單位合作，利用我國(guó)自主研發(fā)的超高精度大視場(chǎng)空間轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)Stereo-seq和高通量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)DNBelab C4 snRNA-seq，繪制了世界首套單細(xì)胞分辨率的獼猴大腦皮層細(xì)胞空間分布圖譜。此項(xiàng)工作轟動(dòng)一時(shí)，中國(guó)腦計(jì)劃初露鋒芒。
2023年，是歐盟腦計(jì)劃啟動(dòng)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(jì)劃”功過(guò)評(píng)說(shuō)的報(bào)道，報(bào)道承認(rèn)了歐盟腦計(jì)劃十年間帶給世界的科研成就，譬如上文提到的對(duì)至少200個(gè)腦區(qū)繪制解剖-突觸連接-功能圖譜，使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬意識(shí)和記憶的過(guò)程等，但也毫不吝嗇地總結(jié)了歐盟腦計(jì)劃在實(shí)施過(guò)程中所犯過(guò)的一些錯(cuò)誤——研究目標(biāo)過(guò)于宏大、項(xiàng)目資金分配混亂以及項(xiàng)目合作的碎片化等問(wèn)題。
“美國(guó)腦計(jì)劃”發(fā)展勢(shì)頭良好，在2022年，宣布進(jìn)入了“BRAIN 2.0”的時(shí)代。“中國(guó)腦計(jì)劃”則如初生牛犢，蓄勢(shì)待發(fā)。
當(dāng)下，人工智能的迅猛發(fā)展更是助推了人類(lèi)腦計(jì)劃進(jìn)程。通過(guò)機(jī)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(lèi)大腦的工作方式和認(rèn)知過(guò)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(shí)別和學(xué)習(xí)方面。通過(guò)這些技術(shù)，科學(xué)家能夠模擬人類(lèi)大腦在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的方式，這為研究認(rèn)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(dòng)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(duì)大腦奧秘的理解。
當(dāng)然，也有不少人可能會(huì)存有質(zhì)疑：這些腦計(jì)劃項(xiàng)目的開(kāi)展能夠多大程度上推動(dòng)人類(lèi)智識(shí)的進(jìn)步，傾盡如此巨大的財(cái)力物力人力究竟值不值得？就像《冰雪王國(guó)》中船長(zhǎng)夫人的疑問(wèn)，“珍妮特號(hào)探險(xiǎn)到底值不值得——他們經(jīng)歷了那么多艱險(xiǎn)、苦悶、犧牲，卻只是在人類(lèi)最終尋找北極圣杯的路途上前進(jìn)了那么一小步。為了這點(diǎn)兒知識(shí)，讓那么多人付出了生命，代價(jià)是不是太高了?”
也許對(duì)于每個(gè)這個(gè)領(lǐng)域的探索者而言，答案會(huì)是“為什么要出發(fā)？——因?yàn)樯骄驮谀抢铩?rdquo;
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