美国的大型脑科学计划聚焦在新技术开发 

　　日期：2013-08-21 作者：蒲慕明 来源：文汇报

　　斥巨资推进人脑研究，提宏大研究愿景 美国将从新技术的开发着手

　　□中科院外籍院士中科院上海生科院神经所研究员 蒲慕明

　　我今天主要介绍今年美国总统奥巴马提出的脑计划，也简单介绍一下欧盟推出的人脑计划。奥巴马在今年2月12日的国情咨文里首次提出，美国要开展一个“脑活动图谱计划（Brain Activity Map）”。在谈到这个计划时他说，科学家将把大脑里所有的神经细胞（神经元）的活动记录下来。有了这种资料，就能进一步理解大脑的功能，也能帮助治疗脑疾病。

　　最大动机是为医疗减负

　　奥巴马提出脑计划的主要社会背景，是脑疾病正引发越来越大的医疗负担问题。现在，如阿尔兹海默症、帕金森氏病、中风、抑郁症等脑疾病的负担已经成为全球医疗负担中最大的一项。2005年，世界卫生组织的估计达到28%（包括社会负担、医疗负担），高于心血管病，高于癌症。如此重负是美国社会所无法承担的。这个问题不解决，二十年、三十年后，整个美国医疗系统将要破产，这是奥巴马政府最大的压力。

　　美国脑活动图谱计划的主要目标是科学家所提出的“纪录每一个神经元的每一个脉冲 （record every spike from every neuron）”。假如我们知道大脑进行其功能时每一个神经元的电活动，我们就可能会理解正常的脑功能，以及脑疾病是怎么发生的。

　　现有最好的电活动探测技术是“钙成像”。钙成像反映的是一连串的神经脉冲，而不能反映单一脉冲；而且，目前最多只能纪录一千个神经元的活动，而人脑有一千亿个神经元。所以要发展新的技术。

　　首先要研发的是高效的神经元电活动的探针，其次要有观察和纪录探针信息的方法，最后要建立处理大量脑电活动信息的方法。科学家提出要研发的技术，是对电压敏感的、能发荧光的纳米粒子。这样的纳米探针必须对细胞膜电压敏感，同时又有很高的时空分辨度。目前还完全没有这样的技术。

　　他们还提出，要使用新的纳米技术做多通道的电极，以此来纪录大量神经元的电活动。此外，测量探针信息和处理大量信息的方法，也需要有所突破。

　　科学界与白宫目标有异

　　提出脑活动图谱计划的科学家目标很清楚：五年之内，要获得有302个神经元的线虫和果蝇部分脑区（约1.5万个神经元）的完整活动图谱，这一点他们有信心。而10年内，要完成整个果蝇脑（约13.5万个神经元）的电活动图谱，包括每一个神经元在什么时候放电，做什么行为能够放电等等。15年后，该计划可能完成小鼠大脑皮层（约有数千万个神经元）的完整电活动图谱，而这将是非常巨大的挑战。

　　奥巴马提出在十年内花费30亿美元，希望能对人脑的认识有所突破；但科学家只期望10年内完成果蝇和小鼠的电活动图谱。这两者的差距非常大。其实，奥巴马科技政策办公室的人也没有告诉他，这个计划真正可能达到的目标是什么。

　　人脑有1000亿个神经元，到底哪一年可以搞清楚？进一步说，有了完整的人脑电活动图谱，对神经科学的长远发展会有意义，但对治疗脑疾病有多大贡献还是未知数。这个计划提出了一个宏大的脑科学愿景，将能大幅度推动交叉学科开发，包括纳米科学、微电子科学、计算机科学、分子生物科学等有关的新学科、新技术。但关键技术完成的可能性和时间难以估计，成果用于脑疾病的诊断和治疗更是遥遥无期。

　　在收集了各种意见之后，白宫于4月召开记者会。这次，奥巴马改变了说法。他说我们现在称其为“BRAINInitiative”（BRAIN既有“大脑”的意思，又是BrainResearch Through Advancing Innovative Neurotechnology的首字母缩写，意为“基于创新型神经技术的脑研究”――编注)，这个计划包括了脑活动图谱以外的许多脑研究的新技术研发，如与医疗直接有关的脑机接合器件，对人脑和其他模式动物的研究也将不再位列其他简单模式动物，比如线虫和果蝇之后。

　　我认为在此时刻，脑功能联结图谱的建立应先于微观细胞电活动图谱的建立。在知道每一个神经元电活动之前，应该先知道各种脑功能的环路大致拥有怎样的结构，包括了哪些脑区和哪些种类的神经元。 如果你对整个宏观的或者环路层面上的联结没有搞清楚，那即使你知道每一个神经元的活动，还是不知道怎么分析，怎样去理解它的规则。

　　欧盟想用电脑仿人脑

　　欧盟的人脑计划是五年前开始的“蓝脑计划”（BlueBrain Project）的延伸。

　　“蓝脑计划”是一个用电脑来模拟鼠的大脑皮层的计划。现在的欧盟计划是十年，每年1.2亿欧元，目标是归纳我们对人类脑部现已掌握的网络联结资料，通过超级计算机逐步构建模型以模拟人脑。该模型将使人类终能了解大脑和脑疾病，并为未来的计算机和机器人技术提供一个新的前景。

　　欧洲多数神经科学家都认为，现在做模拟脑，时机还不成熟，因为对大脑的理解目前还太粗浅，没有足够的准确参数去做模型。现在，即使做出了一个人脑模型，它的可靠性将大有问题，对脑科学和脑疾病资料都没有什么用处。

　　也许是因为反对的声音太大，最新的消息说这个计划的内容已有些修改，也开始资助与模拟脑无关的研究项目。

　　应更注重脑病研究

　　最后，我觉得未来中国的脑研究计划要跟欧盟、美国的不一样，我们更应关注真正紧迫的问题，那就是怎样治疗脑疾病。

　　对许多脑疾病、尤其是精神类疾病和退行性疾病，目前药物治疗的效果并不好。早期诊断、早期干预是脑疾病治疗未来最有希望的途径。而且，未来更应重视生理和物理手段，不能只依赖药物治疗。在疾病症状出来之前，及早干预可能是减轻脑疾病社会负担最有效的方式。