雄心勃勃的歐盟人腦項目

人腦研究是21世紀最重大的科學挑戰之一，受到大西洋兩岸歐美國家的重視。在近300名歐洲跨學科專家的共同努力下，歐盟委員會于2013年1月底將人腦項目選定為未來新興技術旗艦項目之一。歐盟人腦項目計劃10年耗資10億歐元，力圖對神經科學、醫學和計算機技術的發展產生重大意義。

一、人腦研究的機遇與挑戰

認識人腦是21世紀科學界面臨的最重大的挑戰之一。歐盟人腦項目組在預研報告中認為，如果勇于應對該挑戰，就能從根本上了解人腦的本質，開發腦部疾病的新療法，并發展具有革命意義的新型信息通訊技術。醫學研究已經發現了超過500種腦部疾病，包括從偏頭痛到抑郁癥和老年癡呆癥。據一項權威研究估計，2010年，超過三分之一的歐洲人口直接受到至少一種腦部疾病的影響，這對歐洲經濟產生的成本接近8000億歐元。

目前，腦研究的主要障礙是腦研究及其數據的零散性。現代神經科學研究雖然成就斐然，卻缺乏系統性，其產生的數據在不同發展階段、不同層次上描述了不同物種的不同腦部區域中的腦組織。現今迫切需要整合這些數據，形成一個統一的多層次系統。

二十年來，信息通訊技術與生物學的融合程度已經足以使這一理想變為現實。新的測序和成像技術以及顯微鏡技術的應用使我們對腦的觀測能力發生了革命性飛躍。云技術和互聯網技術使我們可以集成世界范圍內的研究團隊和臨床醫療機構所產出的數據。神經信息學則提供了新的方法，以分析這些數據，創建和共享細致的腦圖譜，確定知識空白區，并預測目前仍缺少實驗數據的參數值。超級計算機使我們有可能從生物學角度以前所未有的詳細水平建立腦模型，并進行模擬。這些技術能夠極大地加速人腦研究進程，并為防治腦部疾病的新療法，以及可能帶來產業、經濟和社會變革的新型計算技術開辟新的道路。

二、歐盟人腦項目的四大研究目標

歐盟人腦項目組在預研報告中提出，基于信息通訊技術的腦科學研究必須成為歐洲的一個戰略研究領域，該項目將為這種新型腦研究模式奠定技術基礎，推動不同學科間數據和知識的融合，促進各群體為實現對腦部的新認識，開發腦部疾病新療法，并發展模擬人腦的新型計算技術而共同努力。歐盟人腦項目提出了四大目標，即數據、理論研究、信息通訊技術平臺和應用。

1.數據

現代神經科學研究已產生了海量實驗數據，正在進行的一些大型研究計劃將使新的發現不斷涌現，但要構建多層次的人腦圖譜并統一人腦模型，仍缺乏大量知識。因而，歐盟人腦項目的首要目標是產生和解釋那些從戰略角度經過選擇的、從其他來源不太可能獲得的數據。歐盟人腦項目在預研階段已經確定了三大著眼點：一是多層次的鼠腦結構，為人腦圖譜和模型的開發提供重要信息，因為許多的鼠腦研究成果適用于所有哺乳動物。二是多層次的人腦結構，以產生從戰略角度經過篩選的人腦數據，并與鼠腦數據進行對比，找出差異。三是腦功能和神經元結構。

2.理論研究

沒有扎實的理論基礎，就不可能解決神經科學數據和研究過于零散的難題。因此，歐盟人腦項目提出，應包括一項針對理論研究的協同計劃，重點關注腦組織的不同層次關系中所蘊含的數學原理，以及人腦獲取、再現和存儲信息的方式。

3.信息通訊技術平臺

歐盟人腦項目的第三個目標是創建一個信息通訊技術平臺集成系統，使之能夠開啟基于信息通訊技術的新型腦研究。歐盟人腦項目組提出，應建設六個平臺：

（1）神經信息學平臺。為神經科學家提供技術能力，使其能夠更容易地分析腦的結構和功能數據，構建多層次的腦圖譜。這將為研究人員提供新的途徑，以填補目前阻礙對人腦實現整體認識的數據和知識空白。

（2）腦模擬平臺。大型腦模擬平臺在整個人腦項目中將發揮核心作用，它為研究人員提供建模工具和模擬器，使研究人員能夠整合鼠腦和人腦多尺度模型中的大量異質數據，并模擬鼠腦和人腦的活動。

（3）高性能計算平臺。為歐盟人腦項目和研究團體提供大腦建模和模擬所需的計算能力，平臺需包括最新、最強的超級計算技術（達到百億億次級的運算水平）和全新的交互式計算和可視化功能。

（4）醫學信息平臺。該平臺在有效保護病人資料的同時，匯集醫療檔案和專有數據庫中的臨床數據，使研究人員能夠識別特定疾病過程的生物標記。研究人員一旦掌握檢測疾病和對疾病分類的生物學方法，就能夠了解病因并制定有效的治療方法。

（5）神經形態計算平臺。為研究人員和應用開發人員提供硬件和設計工具，使他們能夠以人腦結構和原型應用為藍本，開發全新的緊湊型、低能耗裝置和接近人腦智能的系統。

（6）神經機器人平臺。為研究人員提供工具，使其能夠在模擬環境中將復雜的人腦模型與機器人相連接，并將機器人可以學會的行為與人體和動物實驗結果進行比較。

4.應用

歐盟人腦項目的第四個主要目標是展示其建立的平臺對神經科學基礎研究、臨床研究和技術開發的價值，引發項目之外的研究群體掀起研究熱潮。其應用將主要體現在以下三個方面：

（1）綜合性的認知原則。研究人員在系統地剖析控制具體行為的神經回路，模擬各級腦組織中的基因缺陷、病變和細胞消亡，并建立藥效模型的項目中，應使用腦模擬平臺和神經機器人平臺。其最終目標是建立模型，模擬人類區別于其他動物而獨有的能力（特別是語言能力），這樣的模型將代表人類認識所取得的根本性進步，并將可以直接應用于醫學和其他技術。

（2）認知、診斷和治療腦部疾病。研究將發掘醫學信息學平臺、神經信息學平臺和腦模擬平臺的潛力，以發現與特定疾病過程對應的生物標記，從而認識和模擬疾病過程，預防和治療疾病。新的診斷工具將可能在疾病造成不可逆的傷害之前做出更早診斷，并根據具體病人的需要開發新藥，測試新療法，即“個性化醫療”。這項研究還能降低代價高昂的后期試驗失敗率，減少新藥開發成本。目前每種新藥的開發成本約為10億歐元。

（3）未來計算技術。人腦項目搭建的高性能計算平臺將使研究人員能夠開發出將神經形態裝置與常規超級計算技術相結合的綜合技術。借助神經計算技術平臺和神經機器人平臺，研究人員將能建立擁有巨大潛在市場的應用原型，其中將包括用于家庭、制造業和服務業的機器人，以及用于汽車、家用電器、制造業、圖像和視頻加工以及通訊技術領域的數據挖掘和控制器這類“無形的”但同樣重要的技術。

三、歐盟人腦項目可能帶來的重要影響

歐盟人腦項目認為，它將極大地加快進程，實現對腦結構和腦功能的多層次認識，提高腦部疾病的認識、診斷和治療水平，發展腦科學啟示下的新型信息通訊技術，將對歐洲科學、產業、經濟和社會具有巨大的潛在影響。

第一，人腦項目的數據和信息通訊技術平臺將有助于解決神經科學研究零散的難題，為形成對腦結構和腦功能之間關系的全新認識開辟道路。該項目希望使研究人員有能力應對現代神經科學面臨的一些最重大的挑戰，包括學習和記憶力、神經編碼的本質、甚至是知覺和意識的神經元作用機制等。

第二，將對醫學產生重大影響，加快研制更好的診斷工具，確定更好的治療方案。由于腦部疾病造成巨額費用，因此即使是小的改進，如更早期診斷、延緩神經退化性疾病中認知能力下降的療法等，也將帶來巨大的經濟和社會效益。腦部疾病新藥具有龐大的潛在市場規模。新藥研發成本的降低和成功率的提高將為制藥業帶來重大好處。

第三，將腦研究與信息通訊技術相結合，將有助于確定計算技術的未來發展方向。在超級計算技術領域，歐盟人腦項目希望，由其開發的新型交互技術、可視化技術、多尺度模擬技術和云計算技術將推動為產業界和消費者提供新的服務，并促進形成良性循環，使超級計算機能夠為更廣泛的學術和產業部門服務。

第四，將為緊湊型、低能耗系統的開發開辟道路。這種系統基于神經形態計算和神經機器人的研究，從長遠來看，具有實現模仿人腦智能的潛能。歐盟人腦項目認為，這些技術的潛在應用范圍和戰略意義與過去五十年間驅動歐洲發展的傳統計算技術不相上下，而該項目將引領這些技術的發展，并為確保歐洲的全球經濟競爭力發揮關鍵作用。

（作者：劉潤生，中國科學技術信息研究所助理研究員，科技參考研究室負責人，主要從事科技戰略與政策研究。

張麗娟，中國科學技術信息研究所，研究實習員，主要研究方向為科技政策與管理。）