人类脑科学研究计划的进展

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　　 【摘要】 理解大脑的工作机制是人类科学发展的终极命题，2013年欧盟和美国相继宣布投入大量资金开展新一轮的脑研究计划，我国也于2016年推出中国的脑研究计划。脑科学研究不仅是当下神经科学的研究前沿，更是解决神经精神疾病带来的日益增加的社会负担的突破口。本文总结了世界主要发达国家的脑研究计划进展，并重点介绍我国脑计划的布局、展开及优势，以期为广大科研工作者提供最新的脑科学研究国际动向和国内发展情况。
　　 【关键词】 脑计划; 脑科学; 类脑智能
　　 【Abstract】 Understanding the working mechanism of the brain is the ultimate proposition for the development of human science.In 2013，the European Union and the United States announced that they had invested large funds to carry out a new round of brain research programs，and China also launched a brain research program in 2016.Brain science research is not only the frontier of neuroscience research，but also the breakthrough to solve the increasing social burden caused by neuropsychiatric diseases.This paper summarizes the progress of brain research projects in major developed countries in the world，and emphatically introduces the layout，development and advantages of brain projects in China，in order to provide the latest international and domestic development situation of brain science research for the majority of scientific researchers.
　　 【Key words】 Brain project; Brain science; Brain-inspired intelligence
　　 First-author’s address：Department of Anatomy and K.K.Leung Brain Research Centre，the Fourth Military Medical University，Xi’an 710032，China
　　 doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.07.044
　　 腦是支配人的一切生命活动的最高中枢，也是一切思维活动的物质基础，对人类大脑的研究是人类认识自身的一项终极挑战。对大脑结构和功能的深入了解不仅有重大的科学价值，同时对于神经系统疾病的诊断、治疗和治愈手段的发展有着重大临床意义。目前，神经系统疾病的患病人数不断增加，造成的社会负担持续加重。全球疾病造成的负担当中，由于脑功能紊乱疾病所产生的负担比重不断加大[1]。然而，由于对脑结构和功能缺乏全面的认识以及技术手段的制约，目前神经系统疾病缺乏有效的治愈手段。为了攀登神经科学和人工智能的科技高峰，解决当下神经系统疾病带来的困境，各国纷纷提出各自脑研究计划。本文对几个主要发达国家的脑研究计划的基本信息、研究方向以及取得的成就进行介绍，并着重阐述我国脑计划进展情况[2]。
　　1 欧盟脑计划
　　 欧盟脑计划—“人类脑计划（Human Brain Project，HBP）”由欧洲委员会于2013年10月启动，计划为期十年。该计划作为欧洲两个“未来新兴技术旗舰计划”之一加以重点扶持，力图集成多方力量，为基于信息通信技术的新型脑研究奠定基础，加速脑科学研究成果转化，提升欧洲脑科学的地位与竞争力[3]。该计划的设计思路是通过建立一台超级计算机模拟人脑的运行架构、神经连接机制和整合原则。其主要目标包括：（1）建立并运行一个欧洲科学研究体系来进行脑、认知神经科学和脑启发科学的研究;（2）收集、建立并公布脑相关疾病的有关数据;（3）脑功能模拟;（4）建立大规模的脑研究的框架理论和脑模型;（5）发展脑启发相关的计算、数据分析和机器人;（6）确保HBP的工作负责任地展开并造福社会[4]。该计划分为两个阶段，第一个阶段称为“起飞阶段（Ramp up phase）”从2013年10月-2016年3月，该阶段主要完成了6个基础平台的建设。第二个阶段“实施阶段（operational phase）” 原计划于2016年4月开展，但是由于多位科学家对脑计划发展方向的分歧以及预算的削减并未能如期进行[5]。目前，HBP处于“特殊拨款协议第二阶段（Specific Grant Agreement Two）”，该阶段为期两年，时间为2018年4月-2020年4月。
　　 HBP现阶段的主要成就是第一阶段完成的六个基础平台的建设，包括：（1）神经信息平台，进行神经科学数据的登记、搜集和分析;（2）大脑模拟平台，进行脑的结构重建和功能模拟;（3）高性能计算平台，运用计算和存储设备进行复杂的功能模拟和大数据计算;（4）医学信息学平台，搜集病人数据来研究脑疾病的共性和差异;（5）神经形态计算平台，对脑的微电路进行模仿从而使电脑系统模拟脑的学习原则;（6）神经机器人平台，将脑的虚拟模型连接仿真机器人和环境，来测试其功能。这六个信息交流技术平台能够帮助研究人员加速在神经科学、药学和计算机模拟等方面的研究，提高实验数据的共享和即时交流能力，保证研究工作快速高效并紧密配合，从而创造出更加精细的脑模型，实现更精确的脑功能模拟[6]。这些平台同时也为全球的脑科学研究学者提供了进行广泛合作的工具和平台。除此之外，HBP在大鼠脑皮质关键部分的数字化重建、神经科学理论体系化、协同实验室的建立、神经形态计算系统等方面都取得了重要进展。 　　2 Allen脑科学研究计划
　　 Allen脑研究所由Paul G Allen在2003年资助建立的独立的、非营利性组织，目标是研究正常人和脑功能紊乱患者的脑如何工作。Allen脑科学研究计划（Allen Institute for Brain Science，AIBS）主要任务是阐明大脑皮质的活动如何指导人的知觉、决策和最终行动。Allen脑研究所已经建立了一系列大规模的研究计划来进行脑皮质的基础科学研究，他们通过对脑的构造、运算和认知进行协同研究以加深对脑的认识[7]。
　　 Allen脑研究所于2004年启动的Allen脑图谱（The Allen Brain Altas）是Allen脑计划最突出的成果之一。Allen脑图谱通过检测包括鼠、人以及非人灵长类动物的脑内不同基因的表达情况，整合脑内基因表达以及神经元连接的资源，建立了一个在线的开放数据库[8]。如Allen鼠脑图谱（Allen Mouse Brain Atlas）它展示了成年雄性小鼠大脑基因表达的3D图谱，在分子层面上对20 000多个基因的表达位点进行详细介绍。此外，为了开展广泛的全球合作，Allen脑研究所提供了大量的脑科学研究相关资源，包括脑观测平台（Allen Brain Observatory）、细胞类型数据库（Allen Cell Types Database）、鼠脑连接图谱（Allen Mouse Brain Connectivity Atlas）、人脑图谱（Allen Human Brain Atlas）、发育中的人脑跨度图谱（Brainspan Atlas of the Developing Human Brain）、鼠脑图谱（Allen Mouse Brain Atlas）、发育中的鼠脑图谱（Allen Developing Mouse Brain Atlas）等多项公开的数据库，以及大脑图谱应用程序接口（Allen Brain Atlas API）、软件开发工具包（Allen Software Development Kit）等工具[9-10]。
　　3 美国脑计划
　　 1997年“人类脑计划”在美国正式启动，2010年美国国家卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）推出“人脑连接计划”[11]。2013年4月2日，美国总统奥巴马宣布启动“通过推动创新型神经技术开展大脑研究计划（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）”计划[12]。
　　 该计划初期目标是加速创新型神经技术的开发和应用，在时间和空间上构建脑细胞和复杂神经回路快速相互作用的动态图像，最终目标是了解大脑和机体如何产生思维、情绪和感觉，并且帮助治疗脑功能紊乱患者[13]。该机构由美国国立卫生研究院、美国国防高级研究计划局、美国国家科学家基金会领导[14]，三大机构的研究重点不尽相同。国家卫生研究院的研究重点是开发和应用新型工具来绘制大脑回路，探索回路中脑细胞的动态活动，研究回路和认知、行为能力之间的关系。国防部高级研究项目局重点关注脑部创伤后应激、脑损伤、记忆力减退的诊断和治疗效果，推动有关脑数据处理、成像、先进分析技术的发展。国家科学基金会侧重支持新技术、新方法、新工具的开发，以及神经科学、认知科学的基础研究[3]。
　　 该计划提出了9项优先发展的领域和目标，其中依序为：鉴定神经细胞的类型;绘制大脑结构图谱;研发新的大规模神经网络电活动记录技术;研发一套调控神经环路电活动的工具集;建立神经元电活动与行为的联系;整合理论、模型和统计方法;解析人脑成像技术的基本机制;建立人脑数据采集的机制;脑科学知识的传播与人员培训[15]。目前美国的脑计划研究即可行性研究已经进入第二阶段，通过使用先进的通用信息数据库，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结果联系起来，绘制出健康、疾病状态下脑内部功能、结构、神经网络、细胞和分子的图谱[16]。
　　4 日本脑计划
　　 日本脑计划—使用整合性神经技术制作有助于脑疾病研究的大脑图谱（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for disease Studies，MINDS）始于2014年，不同于欧盟、美国的脑计划致力于测绘神经环路的結构和功能从而最终了解人类复杂而广阔的大脑，MINDS聚焦于对“普通狨猴”的脑研究[17]。这种非人灵长类动物在脑图谱的测绘上具有很多优点，比如其发育良好的前皮质相较于其他实验动物更接近人类，其适中的脑体积更适合全面的神经元电路分析，以及其良好的转基因技术操作性。对于普通狨猴的脑地图测绘是一项巨大的工程，需要更加长足的技术革新。获得普通狨猴脑连接更加相详细的结构和功能信息，将会使人们对于人脑和脑疾病的认识更加深入[18-19]。
　　 MINDS的目标是建立狨猴的脑图谱，创造用于神经科学研究的一般动物模型，建立疾病模型的转基因谱系动物，并将整合转化的成果应用于临床[20]。该项研究包括“ABC”三部分，A：利用基于磁共振的多普勒组织成像等多种技术来进行非人灵长类脑动物结构和功能地图测绘。B：发展新的尖端技术支持脑图谱测绘，该技术包括B1：高清、广角、深入，且快速、持续的脑结构和功能成像技术;B2：控制神经元活动的新技术;B3：发展神经信息学，使获得的大量数据一体化，同时寻求与HBP和Allen等脑研究机构的合作从而获得统一可共享的数据资源。C：致力于测绘正常人和患者的脑图谱，MINDS组织了三个临床研究团队，包括神经退行性疾病研究团队、精神病研究团队和神经康复研究团队，该团队将获得的病人的多方面数据，包括核磁和其他生物指标，反馈给普通狨猴的基础研究。“ABC”研究成果将会相互转化，最终用于发展新的脑疾病诊疗介入手段[21]。迄今取得的成就包括：建立了用于神经科学研究的狨猴实验模型、首创的基因修饰技术、综合的大规模狨猴脑结构和功能绘图、分子分类技术，用于数据整合的计算机平台。 　　5 中国脑计划
　　5.1 中国脑计划的前期布局 中国脑计划起步较晚，但是经历了充分的前期探索和准备工作。2006年2月颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“脑科学与认知”列入基础研究8个科学前沿问题之一。“脑功能和脑重大疾病的基础研究”“神经发育的基础研究”两项研究已列入国家“973计划”和“863计划”[22]。2013年美国政府宣布启动脑科学研究计划后，我国紧随其后召开了“脑科学发展战略研讨会”，就美国、欧盟脑计划的发展特点、内容等以及我国脑科学研究现状、发展方向、面临的挑战等方面的内容进行讨论[23]。
　　 中科院在2012年启动了战略性先导科技专项（B类）“脑功能联结图谱计划”（Mapping Brain Functional Connections;简称：脑联结图谱），目标是对特定脑功能的神经联结通路和网络结构的解析及模拟，2015年该专项进行扩充，加入人类脑智能研究领域，专项更名为“脑功能联结图谱与类脑智能研究”[24]。
　　 2001年10月，我国科学家加入“人类脑计划”，成为这一计划的第20个成员国，随后全国各高校及科研院所开始跟进脑计划的发展，先后涌现出一批重点的脑科学研究单位，如北京大学的“脑科学与认知科学中心”，首都医科大学牵头成立的“北京脑重大疾病研究院”，清华大学组建的“清华大学脑科学研究院”、中国科学院深圳先进技术研究院与麻省理工学员麦戈文脑科学研究所合作共建的“脑认知科学和疾病研究所”“脑科学协同创新中心”等[25]。中科院在2014年8月，以上海生科院神经科学所为依托单位，成立了“脑科学卓越创新中心”，在2015年扩容为“脑科学与智能技术卓越创新中心”，该机构的目标是以科学问题为导向，凝聚中科院的科研实力，通过团队合作和学科交叉融合，解决在脑科学和类脑智能技术两个前沿领域的重大问题。
　　 2016年8月8日国务院颁发的《“十三五”国家科技创新规划》中将“脑科学与类脑研究”列为“科技创新2030-重大项目”，提出抢占脑科学前沿研究制高点。
　　5.2 中国脑计划正式开始 2016年我国发布了“中国脑计划”，即“脑科学与类脑研究”国家重大科技专项，侧重以探索大脑认知原理的基础研究为主体，以发展类脑人工智能的计算技术和器件及研发脑重大疾病的诊断干预手段为应用导向[3]。中国科学院神经科学研究所蒲慕明院士结合中国的国情对人类脑计划进行评价和展望，指出中国脑计划将会补足美国、欧洲和日本脑计划，大脑疾病将是中国未来主要的发展方向，尤其是早期诊断和早期治疗，应该成为中国脑研究计划的首选方向[26]。
　　 我国脑计划总体布局概括为“一体两翼”，即以研究脑认知的神经原理，开发脑研究技术平台为“主体”，研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”，也就是脑科学与类脑智能，在未来15年内使我国的脑认知基础研究、类脑研究和脑重大疾病研究达到国际先进水平，并在部分领域起到引领作用[27]。现代脑研究已经建立对宏观上的行为、神经系统结构和功能的认识，如各种成像技术（正电子发射断层扫描术、功能磁共振成像技术等）明确了脑内各分区的神经元的活动，以及细胞生物学、分子生物学的发展明确了微观上的细胞和分子水平的认识，但是介于两者之间的，对于神经回路的介观认识还存在较大的知识缺口，对于实施产生知觉、认知、思维等高级功能的神经元活动的监测缺乏有效的技术手段，中国脑计划将着力于这一突破口[28-29]。
　　5.3 中国脑计划的发展优势 我国在脑科学研究方面拥有两大优势，一是脑功能紊乱的患者数量多，二是中国拥有大量可用于研究的灵长类动物[30]。
　　 我国脑功能紊乱患者人数众多，发病率逐年攀升。据中国疾病预防控制中心调查，我国抑郁症的发病率超过4%，患者人数超过3 000万，已成为影响我国人民生产生活的主要病症之一。自闭症、抑郁症患病人数逐年增加，阿尔茨海默综合征发病人数居于全球首位[3]。
　　 另一方面，我国的非人灵长类动物研究位居世界前列。中国科学院昆明动物研究所即将成为中国最大的灵长类动物研究基地;云南中科灵长类生物医学重点实验室拥有大量的转基因灵长类动物，可用作杜氏营养不良症、孤独症、帕金森等疾病的模型;位于上海的中国科学院神经科学研究所建立了中国东部最大的灵长类动物研究所，包括猕猴和狨猴两种动物，10个研究实验室，致力于灵长类动物的生殖生物学、转基因模型、系統神经生理学、认知行为方面的研究。这些灵长类动物研究机构能够提供大量的可用于研究的灵长类动物模型、顶尖的科研设施以及便捷的研究条件。许多西方科研团队来到中国寻求合作或者在此建立实验室，中国的研究中心也会吸引国外专家到此利用先进的技术，包括基因编辑技术，成像技术等[31]。
　　6 讨论
　　 认识脑、保护脑、创造脑是人类科学发展的长期目标，以神经计算和类脑智能为代表的脑科学是当前国际科技前沿的研究热点，世界各国脑计划陆续出台、稳步推进，我们也应当加快国内脑科学的发展，加强国内外的交流合作，积极参与国际科研平台的建设，认真借鉴欧美等国的脑科学发展的成功经验[32]。中国脑计划的发展需要紧密结合国家和社会发展的重大需求[33]，在脑疾病带来的社会负担不断加重，脑科学亟待发展的背景下，中国脑计划应当继续推动脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术这“两翼”的快速发展，在加强国际合作的同时，充分利用自己的优势资源，规划具有自身特色的发展路线，掌握神经科学研究的核心技术[34]。
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　　（收稿日期：2018-08-16） （本文编辑：周亚杰）
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