模擬人腦，超越人腦

主講人：歐利弗

模擬人腦，超越人腦

主講人：歐利弗

（一）

我今天跟大家介紹一下歐洲的 “人類大腦計劃”，這個為期十年、旨在了解人類大腦的研究項目去年就開始了，資金來自于歐盟委員會，準備斥資10億歐元。

在了解大腦的過程中，我們最大的挑戰是參與這項計劃的這些科學家的大腦相互之間需要了解，這是非常具有挑戰的工作。

我們的人類大腦計劃要做什么呢？有三個概念。第一個是未來的神經科學，基本的思想就是我們現有的關于大腦的知識融入到計算機模擬當中去；第二個是醫學的未來，我們希望能夠從癥狀的治療跨越到病因的治療，在峰值水平進行腦疾病的治療，這就要求我們整合神經科學的知識，第三個是很多人關注的領域，即我們是不是可以從大腦中學習建造更好的計算機，這個計算機并不一定要比現在的計算機更智能，但我們希望將來的計算機更小更節能。

拿現在的超級計算機來說，耗電非常大，它需要有500兆伏的電源來運行，而且它體積過大，把整個房間占滿了。如果大家手上都有一個小的計算機，只要 20瓦的能量，而且有同樣的計算能力，很多公司一定非常感興趣。構建一個非常小而節能的計算機，就像我們的大腦一樣的計算機。歐洲腦計劃的核心就是把計算機整合到模擬里面去。

歐利弗

（二）

我們現在把時間回到500年之前，那個時候，人們想把所有的關于地球的知識整合起來，那個時候的目標就是建立第一個地球儀。那時能做到的就是將所有的水手搜集起來的地圖整合起來，做成一個地球儀。

大家如果了解的話，在1494年的時候，美洲大洲還沒有發現，500年以后，我們現在有“Google地球”這個項目，它可以讓我們非常詳細地了解地球。

我手上的這個地球模型能夠告訴我們地球的哪些地方是我們還不知道的，這一點對于指導未來的研究非常重要。在神經科學領域里面，我們現在對于大腦還沒有形成全球一致性的，大家統一的大腦圖。

可以想象一下，在以前做這個全球地圖的時候，人們訪問過了非洲、訪問過了歐洲，那時候把所有關于地球的知識綜合起來，建立了地球圖。今天我們人類大腦計劃，也是與之比較類似的，我們需要形成一個關于我們大腦的統一的知識，為此要把現在關于大腦的所有的知識綜合起來，就像我們 500年之前要 把所有的地圖整合起來一樣。

在我們建立這個模型的時候，我們必須要了解到手里數據的質量，可以想象一下，第一個地球儀制成500年后的今天關于地球的地圖，我們還沒有完全徹底了解，仍然在不斷地進展中。因此，我們對于大腦計劃，首先必須要知道還有哪些數據要獲得。

我們現在做的數據，往往都是用動物實驗得來的，都是以動物的犧牲來的。當然我們是希望能夠進行更好的研究，來降低動物的使用。最后，我們形成了這個知識的整合以后，就是想要知道下一步我們應該做什么。

（三）

所以，在我們的人類大腦計劃里面，最重要的就是形成一個關于大腦的統一的模型，也就是說把我們關于大腦的所有來自神經科學一線的數據整合起來形成一個模型。

首先是關于大鼠和關于小鼠大腦的神經數據，這方面有很多的研究。同時，這個模型能夠告訴我們今后可以做什么實驗來驗證這些數據。這個項目的第二個階段就是要專注于人的大腦進行研究。

我們這個大腦研究項目和其他大腦研究項目的差別在于，我們專注的是機器，把數據轉化成模型，不管是什么樣的動物，都可以用這個模型，當然小鼠這樣的模型需要的數據更少一點，因為它們的大腦沒有那么復雜。

這些大腦模型，不僅是建立在靜態神經科學數據上，也是建立在行為認知的實時數據上。在這個模型里面，我們會有一些行為的數據，同時這個模型還能預測在模型里做修改的話，會產生什么樣的行為。也就是說，這個模型能夠預測一些結果，對這些結果我們將來可以做實驗驗證，實驗驗證數據出來以后，可以進一步改進模型。

我們會得到未來計算科學的一個模型。我們不僅僅可以從大腦當中提取出計算的一些規律，幫助我們設計未來的計算機，同時也可以幫助我們更好地改進現在的計算機，可以使得現在的計算機更好地幫助理解大腦的工作方式。

我們下一步的想法是可以把世界各大醫院的關于人類大腦的數據搜集起來，對于我們來說，最大的挑戰，是怎么樣在不侵犯患者私人隱私的情況之下，把這些大腦的信息搜集起來。

這當中每一個部分，都是相對應人類大腦計劃的一個平臺，比如說我們有一個大腦模擬平臺，它相當于一個通道，在這個平臺上可以對人類大腦進行模擬，這個模擬是在高性能的計算機平臺上進行的。除此之外，我們還有醫學以及神經信息學這樣一個平臺，主要涉及的是怎么樣把不同渠道的信息搜集起來。

我們還有另外一個平臺叫做神經機器人學，它主要研究的方向是人類身體不同組成部分之間連接的情況。我們不僅僅要了解人類的大腦，同時，也要去了解與人類大腦相連接的身體組成部分，就像古希臘和古羅馬人所說的，只有一個健康的心靈，沒有強壯的體魄是不夠的，我們必須去研究健康的體魄。

（四）

介紹一下瑞士洛桑在這方面的研究，我們對大腦新皮層的回路做了一個研究。大腦皮層包含了數量極其巨大的神經元。我們計劃對所有的神經元進行掃描，然后在大腦當中進行一個再現，在三維空間當中進行一個電腦三維再構建。

從電子顯微鏡下所展示的神經元的情況看，人腦對信息的傳遞和接收的速度是非?？斓?，而且在每一個神經元的細胞當中，可以看到有不同的電子信號傳遞的行為。

我剛剛所說的只是冰山一角，可以看到在我們人類的大腦當中，沒有任何空白的區域，有些人說我們人類只是利用了大腦一部分的區域，其實不然，這句話完全是無稽之談。

·現場提問選登·

江世亮：腦科學計劃比當年的人類基因組計劃要更復雜，90年代初，動用了國際合作的模式，經過十年多的時間，終于把人類基因組的整個圖譜搞出來了，當時中國也參加了?，F在的人腦計劃是更

通過我們計算機的模擬，可以看到不同的神經元之間溝通的結果，有成千上萬的神經元和另外的成千上萬的神經元進行了非常復雜的傳遞對接。

為了得到這個研究結果，我們在超級計算機上運行了整整一天，而截取的范圍橫向只是對應于大腦當中的一毫米，縱向也僅為二毫米，這么小的一個范圍要在超級計算機上運行整整一天，更不用說整個大腦的范圍。

首先我們要應對怎么來處理這么大規模的數據，我們可以考慮的一點，可以把我們的數據變成一個模型。初步建立的模型可能不是很準確，但隨著實驗數量的增加，可以對這些已建成的模型進行修正，這樣的話，可以使我們的模型變得更好。

我們目前已對實驗室的小鼠做當中的 7 500萬的神經元作了研究，我們依據從數據庫中所截取的數據建立起一個老鼠大腦的三維模擬。我們對單個的皮質區進行了研究，把它推廣之后，可以對整個老鼠的大腦進行3D的再現和模擬。

下一步我們要圍繞這樣一個大腦的模型建立一個虛擬的3D老鼠，這樣的話，就可以更好地了解到老鼠的大腦怎么樣跟它的身體進行一個互動。我們對虛擬小白鼠的大腦進行觸發之后，可以看到它可以做出類似舞蹈的動作，對它的左腿進行敲擊時，它的右大腦被觸發，這實際上跟人腦的工作原理是一樣的。

最后我想對演講做一個總結。第一步，我們可以通過模擬對模型進行一個簡化，下一步要從模擬變成機器人。怎么樣通過我們的研究結果得到一些啟發，怎么樣在機器人上面作出一些新的研發，包括怎么樣把人類肌肉鍵考慮進去，是我們下一步研究的方向。復雜的一個計劃，現在聽過有美國的腦計劃、歐洲的腦計劃、日本的腦計劃，今天知道，中國也在積極籌劃自己的腦計劃，是不是能參照當年的人類基因組計劃，形成合力，為什么不能沿用原來成功的模式呢？

還有一個問題，想問蒲慕明教授，您剛才提到中國的腦科學，將會重點聚焦在腦的工作原理和腦的重大疾病上。我在一年前聽講中科院有一個腦的先導計劃，主要針對中國人群腦的重大疾病，包括癲癇、癡呆癥等，今天您講的中國腦計劃，是不是意味著中科院的計劃已上升到國家的計劃？

歐利弗：回答您第一個問題。我們在歐洲開展的腦科學研究有幾百個學術機構進行了合作，而且不僅僅在歐洲內部進行合作，我們還跟美國、日本和中國的同行進行了合作。我覺得背后的理念，我們所有國家的這些腦研究的計劃都是合作的一部分。 奧巴馬總統當時宣布大腦計劃的時候，他強烈地倡議說，我們希望能夠在不同的國家的腦研究計劃之間進行協調。如果仔細看一下，可以看到歐洲和美國的兩個人類大腦研究計劃之間的互補性是非常強的，這是非?？上驳囊粋€現象，而且美國的計劃是稍稍遲于歐洲計劃宣布的。

就像500年前大航海時代的情況，如果要進行大航海要經過精心的準備，今天我們這些腦科學項目相當于大航海，我們需要精心的準備，要花很多的心思選擇研究的方 向。同樣的道理，中國的腦研究計劃，我想肯定跟日本的計劃有異曲同工之處，專注于專門的領域，可以為更好的國際合作做鋪墊。

歐洲的人類大腦計劃，是主要由歐盟進行資金贊助的項目，除此之外，所有來自于世界其它國家的研究機構，也非常歡迎加入我們這樣一個人類大腦研究的計劃，這是我們人類整個科學研究的重要組成部分。

你說到的人類基因組計劃，把它與現在的大腦研究計劃進行比較是非常有意思的一件事情。人類基因組計劃是一個線性的研究，其唯一的一個任務，是對人類所有的DNA的序列進行一個序列的排列。

當然，隨著人類基因組計劃的推進，科學家也發現了眾多可以演化出來的研究領域，盡管它主要的研究目的是要對人類DNA的序列進行排序。但現在的人類大腦研究計劃不是那么簡單，它的緯度可以多達十多倍。毫無疑問，人類大腦研究計劃更需要合作?？赡芪覀円軌虻玫胶芎玫娜祟惔竽X研究計劃的結果，需要的不是十年的研究時間，而是上百年的時間。

蒲慕明：中科院的項目是研究腦功能的圖譜，實際上和美國的腦計劃非常類似的，希望研究各種腦功能的連接是怎么產生的?，F在討論的中國腦計劃，是希望在中科院的那些比較基礎性的研究之上，能夠擴展到全國各個單位，各個研究機構，都能夠參與到這個項目。

中國要做什么樣的腦計劃呢？大家討論后認為我們一定要做出有中國特色的、要能夠世界領先的工作，也是中國希望能夠在前沿領域作出世界領先的成果。所以，要考慮到什么樣的工作，在中國可以做世界領先，世界領先實際上也就是說能夠達到世界前沿。

腦科學的目標是非常遙遠的，理解大腦可以說現在是看不到止境的，可以說一百年都有可能看不到止境，剛才大家提出的問題可能一百年的時間也解答不了。所以在中國資源有限的情況下，做什么樣的東西，最能夠對前沿有貢獻是很值得思量的。我們認為美國的計劃注重開發能夠了解大腦的新技術，就是非常有特色和貢獻的。歐盟腦計劃的特點是用模擬腦的技術。

在這些新技術沒有出來，或者在出來的過程中，我們中國可以更專注做直接跟社會比較有關的，不需要等到那些新技術全部出來之后再去關注疾病的問題，因為疾病的問題非常迫切。如果到2050年，還不能大幅緩解腦部相關疾病的話，社會負擔是受不了的，1億的老年癡呆患者，任何社會的醫療系統都要崩潰的。

所以，我們在沒有了解腦之前，可以有一些工作能夠提供對腦疾病的早期診斷指標，讓我們做早期干預，在這個領域，中國有大量的需求，我們可以在這上面有些貢獻。再加上中國有很大的靈長類動物的資源，在猴類上做試驗是可以的，跟人非常相近。

我們中國在猴類基因操作上已經領先了，可以做出疾病模型，做出早期干預的試驗，然后在人的身上能夠利用。這是中國腦計劃將來的一個希望。

[本刊根據現場速記稿整理而成，整理人：李 輝]