科學(xué)向人腦開戰(zhàn)

人類的大腦是個復(fù)雜的“小宇宙”，至今，我們依舊對其知之甚少。奧巴馬政府推出將耗時10年、投資數(shù)十億美元的“人腦活動圖”計劃，它能助我們找到打開大腦秘密的鑰匙嗎？

人類的大腦是個復(fù)雜的“小宇宙”，至今，我們依舊對其知之甚少。

根據(jù)已有的研究和認識，構(gòu)成人腦的腦細胞由神經(jīng)元（也稱之為神經(jīng)細胞）和神經(jīng)膠質(zhì)細胞構(gòu)成，其中神經(jīng)元負責處理和儲存與腦功能相關(guān)的信息。腦科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元之間通過連接，構(gòu)成了一個高度復(fù)雜的大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。越來越多的證據(jù)表明，這個復(fù)雜而龐大的網(wǎng)絡(luò)是大腦進行信息處理和認知表達的生理基礎(chǔ)。

并且，人們越來越相信，我們自身的許多腦疾病，從精神分裂癥到抑郁癥，到創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等，以及老年癡呆癥和帕金森綜合征等疾病，都與大腦連接性的失調(diào)有關(guān)。因此，科學(xué)家一直在努力探索大腦的奧秘。

奧巴馬的雄心

奧巴馬政府現(xiàn)在雄心勃勃，4月上旬推出探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖的研究計劃。這一計劃將耗時10年、投資數(shù)十億美元，可與人類基因組計劃相媲美。而此前，歐盟已經(jīng)宣布了在未來10年投資10億多歐元的“人類大腦工程”。

在奧巴馬看來，人類腦科學(xué)研究的落后是一件比較尷尬的事情?！白鳛槿祟悾覀兡軌虼_認數(shù)光年外的星系，我們能研究比原子還小的粒子，但我們?nèi)詿o法揭示兩耳間三磅重物質(zhì)（指大腦）的奧秘?！?月2日，奧巴馬會見科學(xué)家時表示。

但是未來，有了比較精確的人類大腦活動圖以后，醫(yī)療專家就可以把患者的腦部活動狀況與數(shù)據(jù)庫中的大腦活動圖進行比較，這就使醫(yī)生可能檢測出病人大腦里的關(guān)鍵差異，從而診斷出疾病并進行治療。另外，它還將為人工智能領(lǐng)域的更大進展鋪平道路。

奧巴馬說，繪制人類基因組圖譜改變了遺傳學(xué)，現(xiàn)在他希望繪制人腦活動圖也能有類似的科學(xué)作用。

有人作了一個形象的比喻，如果將大腦比作一個城市，那么目前的技術(shù)，只能使我們看到這個城市的大概輪廓，卻無法了解里面發(fā)生了什么。美國布朗大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授約翰·當納格是該計劃的一名核心成員。“最令我感興趣和困惑不解的問題就是大腦如何將思想轉(zhuǎn)化為行動？盡管大腦成像技術(shù)以及基于細胞的研究為大腦工作機制提供了一些洞見，但對于大腦深層工作原理，我們?nèi)匀涣私獾貌簧??！碑敿{格說。而現(xiàn)在，他們希望得到一些答案。

想法、感情乃至行動都可以觀察清楚

奧巴馬批準的這個浩大的工程，全稱叫做“利用先進創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)研究腦部計劃”，“人腦活動圖”計劃是它的簡稱。該工程2014年開始，計劃用10年時間完成，奧巴馬政府將從2014財年的政府預(yù)算中，撥出大約1億美元啟動這項工程。

美國官方公布的信息顯示，該工程的參與者包括國家衛(wèi)生研究院、國防部高級研究項目局、國家科學(xué)基金會等聯(lián)邦機構(gòu)，霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所、艾倫腦科學(xué)研究所等私營機構(gòu)，以及神經(jīng)學(xué)家和納米科學(xué)家組成的團隊，他們將共同推進對人類大腦近千億神經(jīng)細胞的理解，加深對感知、行為以及意識的研究。

根據(jù)“人腦活動圖”計劃的概述，該項目就是想為我們的大腦繪制一幅導(dǎo)航的示意圖，每一種想法從何而來，如何轉(zhuǎn)化為行動，都將在圖上標明。

哥倫比亞大學(xué)神經(jīng)科學(xué)教授拉斐爾·尤思蒂表示，該計劃最終繪制的并非是靜態(tài)示意圖，而更像是一個高分辨率的視頻。通過這幅動態(tài)圖，單個的神經(jīng)元受到刺激時做出什么反應(yīng)，和其他神經(jīng)元怎樣互動，最終這些是如何轉(zhuǎn)變?yōu)橄敕?、感情乃至最后的行動的，都可以觀察得一清二楚。

但是研究動態(tài)的大腦并不容易?！艾F(xiàn)在有手段可以做這些研究，但是遠不夠精確?！?北京師范大學(xué)腦與認知科學(xué)研究院院長羅躍嘉說，比如核磁是目前研究大腦最安全、最先進的方法，能觀察到大腦在不同時間段的活動情況。但是它的局限性也很大，比如時間和空間分辨率不高。

一般來說，現(xiàn)在的核磁技術(shù)是以秒為單位的，它能觀察到每一秒大腦的變化，但是人類的思維可能是快于秒的，比如突然迸發(fā)的想法，以及遇到突發(fā)的事故，人們可以一剎那間做出的反應(yīng)。在測量毫秒級甚至微秒級時的大腦活動情況，核磁技術(shù)就顯得力不從心了。

而且對于空間分辨率來說，雖然隨著磁場強度的增加，核磁的分辨率能提高，但是也遠遠達到不了看清楚細胞這個級別的組織的分辨率。

如果到不了細胞水平，就面臨著這樣的問題。核磁能知道大概的腦區(qū)干了什么，但是不能了解腦區(qū)中是哪些細胞干了這些事情，不同的細胞之間又干了什么事。同時核磁也有不確定性，它是根據(jù)血流量和耗氧量來計算腦的活動水平的，所以如果血流不好，結(jié)果就會出現(xiàn)很大的偏差，影響最終結(jié)論。

目前核磁還是相對比較好的方法，因為它不會損傷人體組織，是非損傷性的。其他的如雙光子技術(shù)、多電極陣列都是有損傷的。這就帶來一個問題，結(jié)論里得出的癥狀，到底是損傷帶來的還是病理帶來的。

這些技術(shù)上的局限，都制約了人們對大腦的進一步認知。

在羅躍嘉看來，對于大腦的研究，可能不但需要理論的進步，還需要技術(shù)設(shè)備的同步更新。目前來看，技術(shù)手段還不足以支撐起研究動態(tài)腦的基礎(chǔ)，所以技術(shù)設(shè)備研發(fā)也不容忽視。

“研究的進步，是和技術(shù)聯(lián)系在一起的，就像我們要去研究火星，首先要建造一艘能夠到達火星的飛船。” 羅躍嘉說。

“人腦活動圖”計劃的底氣

北京大學(xué)心理學(xué)系教授沈政告訴記者，其實，奧巴馬政府提出“人腦活動圖”計劃并不是一時地心血來潮，而是有了一定的技術(shù)、人才儲備和研究積累。

“早在2008年、2009年，關(guān)于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的一些相應(yīng)的研究已經(jīng)開始。”沈政說。

2010年，美國政府啟動了一個叫做“人腦連接組計劃”的項目，計劃通過掃描1200名健康成年人，其中包括300對雙胞胎的大腦，比較他們大腦各區(qū)域神經(jīng)連接的共同點以及不同點，繪制出不同大腦區(qū)域之間的主線路圖，然后揭示這些連接在個體間的不同所導(dǎo)致認知和行為方面的差異。當時，美國國家衛(wèi)生研究院出資3850萬美元，華盛頓大學(xué)等4所大學(xué)接下了這個艱巨任務(wù)。這幾年該項目已經(jīng)有了一些研究成果。

“現(xiàn)在的‘人腦活動圖’計劃就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展的?！鄙蛘硎?。

另外，美國其他一些研究項目的研究也將大力推動該項目的進程。前幾年，對大腦研究頗有興趣的微軟聯(lián)合創(chuàng)始人保羅·艾倫投資1億美元，資助了小鼠腦圖譜的繪制。2006年，科學(xué)家已經(jīng)繪制出了小鼠大腦2.1萬個基因的三維圖。在人腦研究方面，雖然使用鼠腦有很多缺陷，但由于老鼠和人類的基因組90%相似，所以仍然對人類大腦研究提供了重要資源。

不過沈政告訴記者，與先前的一些研究項目相比，奧巴馬政府的這項計劃更加強調(diào)腦科學(xué)研究在臨床治病救人中的實際作用。

歐美角逐戰(zhàn)略制高點

目前，在人類腦科學(xué)領(lǐng)域做出戰(zhàn)略性部署的并不是只有美國。實際上，歐盟已經(jīng)先于美國開始了行動。

2005年，在瑞士洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家亨利·馬克拉姆的倡導(dǎo)下，以“從實驗數(shù)據(jù)逆向模擬哺乳動物的大腦”為目的的“藍腦計劃”成形。2009年，他進一步提出了“用超級計算機構(gòu)造大腦”，目的是利用有關(guān)大腦內(nèi)部運作的最佳研究成果，通過先進的計算機復(fù)制出人類大腦，這讓他在人腦研究領(lǐng)域逐步成為炙手可熱的人物，2013年1月23日，歐盟委員會贊助了他充滿野心的夢想，啟動“人類大腦工程”。

根據(jù)歐盟2010-2012年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將1/3的歐洲人患有腦部疾病或與人腦相關(guān)的病患，例如每年有1.5億的人遭受頭疼的侵擾，6900萬人焦慮，4500萬人失眠，3300萬人情緒異常。研究估計，上述這種狀況每年將會給歐洲帶來8000億歐元的經(jīng)濟損失。 而“人腦工程”將收集現(xiàn)有臨床數(shù)據(jù)，挖掘生物模式，從而找出導(dǎo)致腦部疾病的原因，做出更好的診斷和分類。

該計劃將在未來10年內(nèi)獲得10億多歐元的經(jīng)費。而亨利·馬克拉姆所在的洛桑聯(lián)邦高等理工學(xué)院，就是人類大腦工程技術(shù)核心機構(gòu)。同時，該項目也將由亨利·馬克拉姆牽頭，由來自世界各地的87個研發(fā)團隊共同實施。

根據(jù)計劃，該項目的研究人員需將人類大腦切成8000片，而后利用高性能掃描儀進行數(shù)字化處理，繪制人腦詳圖；同時利用超級計算機描繪和模擬大腦所需的海量數(shù)據(jù)，最后將成千上萬的神經(jīng)元模型形成局部模型，組裝為一個可正常運轉(zhuǎn)的、完整的人類大腦模型。

盡管同樣是研究大腦，同樣是投入巨大資金，同樣是計劃耗時10年。但歐洲的“人類大腦工程”和美國的“大腦活動圖”計劃，有著本質(zhì)的區(qū)別。

“歐洲人是要利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，精確地模擬人類大腦數(shù)千億神經(jīng)細胞實現(xiàn)人工智能。但美國人是要開發(fā)一種可以將大腦神經(jīng)細胞活動視覺化的顯微技術(shù)，弄懂大腦工作的原理，找到治療各種大腦疾病的方法?！鄙蛘硎?。

近些年，歐洲的德國、英國、瑞士等國家也都不甘落后，先后推出了本國的神經(jīng)科學(xué)研究計劃。不過就目前而言，美國和歐盟是現(xiàn)在腦科學(xué)研究爭戰(zhàn)的主角，他們雙方都希望率先搶占腦科學(xué)研究戰(zhàn)略制高點，從而在未來高科技競爭中搶占先機。

“現(xiàn)在是太空競賽以來，美國的研發(fā)水平達到新高度的時候了。”奧巴馬表示。而在歐盟“人腦工程”的專網(wǎng)上，則這樣寫道：“2020年到2030年，治療腦血管疾病和腦啟發(fā)計算的經(jīng)濟將是世界經(jīng)濟增長的主要驅(qū)動力。如果歐洲想建立一個強有力的競爭地位，必須現(xiàn)在開始行動了?！?/p>

批評、非議及挑戰(zhàn)

根據(jù)目前的設(shè)計， 美國的“人腦活動圖”計劃預(yù)計耗時10年、耗資逾30億美元。也正是因為這樣，奧巴馬的這一雄心遭受了美國國內(nèi)不少批評人士的非議和責難。同時，一些科學(xué)家表示，與繪制基因圖譜相比，繪制人腦活動圖挑戰(zhàn)要大得多。

“實際上，他們目前的這個計劃也還只是一個概念性的洞悉，未來具體該怎么去做，還不是很清楚，這個接下來還需要眾多科學(xué)家的群策群力。”中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所研究員雷皓在接受記者采訪時說。

歐洲的“人類大腦工程”同樣也受到一些人的非議和懷疑，不少研究人員認為該研究項目提出了完全模擬人腦的“驚人目標”似乎并不現(xiàn)實。

“不管怎么做，都沒有辦法做到完全模擬人腦，人腦實在是太復(fù)雜了，其復(fù)雜程度是其他任何器官都無法比擬的。” 中國科學(xué)院心理研究所研究員尹文剛表示，人腦的細胞數(shù)量多達上千億個，幾乎相當于整個銀河系星體總數(shù)，另外大腦的活動一直是動態(tài)的，人類要想解析出其全部的秘密幾乎就是一項無法完成的任務(wù)。況且是由人類自身來研究自己的大腦，從哲學(xué)上說不管怎么樣都會受到思維定勢的干擾。而在另外一個方面，當前人類還沒有研制出具有這樣的處理能力的計算機。

醉翁之意不在酒

奧巴馬也坦承，該項目是美國在21世紀的大挑戰(zhàn)。不過，對于這一項目，奧巴馬似乎有些醉翁之意不在酒。 尹文剛認為，剛剛開始第二任期的奧巴馬，是在把解開大腦之謎作為美國科技發(fā)展的重點，并欲借此振興美國低迷的經(jīng)濟。

“在人類基因圖譜的研究中，我們每投入1美元，都獲得了140美元的回報?！眾W巴馬表示。他這么說并不是信口開河，美國聯(lián)邦政府一項分析該計劃影響的研究指出，美國人類基因計劃耗資38億美元，截至2010年，美國已獲得8000億美元回報。同樣，奧巴馬認為“人腦活動圖”計劃也將為美國帶來豐厚的回報。

腦科學(xué)領(lǐng)域的專家認為，美歐龐大的腦科學(xué)戰(zhàn)略計劃不管未來進展到什么程度，它對人類腦科學(xué)尤其是神經(jīng)方面的認知將會前進一大步，對一些神經(jīng)性疾病的臨床治療也將會起到積極的推動作用。