腦科學成大國“必爭之地”

王云

腦科學是人類理解自然界現象和人類本身的最終疆域。各大國競相投入腦科學研究，是因為其不僅關乎人類的健康和福祉，也關乎未來的生產力

人腦的認知黑洞

時至今日，大腦依舊是人類認知的黑洞。人類大腦大約有1000億個神經元，它們如何連接以及如何導致精神錯亂或是出現神經性疾病，目前人類并沒有弄清楚其中的奧秘。隨著全球人口老齡化時代到來，阿爾茨海默綜合癥、帕金森綜合癥，以及亨廷頓綜合癥等神經衰退性疾病日益成為人類的健康負擔，人類迫切地想知道：大腦是如何工作的。腦科學研究是一個涉及多種學科融合、多個部門合作的大科學項目。它對我們更好地了解人類的大腦如何工作、認識人類心理，以及神經性疾病大有裨益。

覆蓋人腦的神經網絡約有140億個腦細胞，腦細胞之間的連接“通路”高達 100萬億個， 這些網絡結構就是我們處理大腦所有功能所需要的。關于腦細胞之間的通路和結點，有三個名詞：一個是神經細胞的“軸突”，是信號輸出端；一個是“樹突”，是信號輸入端；軸突和樹突的交界點叫“突觸”，每一個細胞上都有成千上萬個突觸。神經細胞主要的功能是把所有的信號收集起來，然后處理這些信號，再決定是不是要把信號送出去給下一個系統。“樹突”在生命個體出生之后開始大量產生，然后慢慢減少。這是因為人出生之后，一定要建立神經網絡，但一開始不知道怎么建立，所以，會形成很多網絡。然后在小孩出生之后，伴隨著學習過程，就把有用的連接留下來，沒有用的連接就會刪掉。刪除的過程也是造成個體差別的重要因素。所以，小孩子出生之后一定要學習，如果不學習，就不能更好地形成正確的網絡。

“腦計劃”能夠做些什么

一些重要的腦疾病，如自閉癥、精神類疾病、老年癡呆癥等都是全世界的難題，也都與大腦的奧秘有關。以老年癡呆癥為例，根據得病率統計，85歲以上老人中的50%患有老年癡呆。預計到2050年，中國將有近1億患者的生活需要照顧、需要醫療系統的救助，這是嚴重的社會負擔。如果實施中國“腦計劃”，對于老年癡呆癥，就能找到早期診斷的方法，早發現、早干預，把嚴重癥狀出現期從85歲延緩到95 歲，社會負擔就可以大大減輕。

腦科學研究成果的應用目前來看主要集中在兩個領域：一是腦疾病的診斷和治療；另一大應用方向就是“類腦智能”，也就是時下非常熱門的“人工智能”，即通過對腦的理解，受腦工作原理的啟發，人類設計出精巧的、具有部分人類智力的機器或計算機程式。腦科學研究成果將促進人工智能等技術的研發，這一領域的研究突破將引領新一輪科技革命，使經濟社會發展呈現嶄新的局面。

與腦相關的科技革命

科技電影中主角用意念移動物體的場面時常讓人心潮澎湃。隨著科學家對大腦這一人體最重要器官的不斷研究，多種科技產品已橫空出世，讓人嘆為觀止。2014年的巴西足球世界杯開幕式上，一名殘疾人利用腦控技術完成了開球儀式，讓全世界觀眾共同見證了腦科學技術的發展。

英國一名設計師開發出一種腦控獨輪車，工作原理是騎車者佩戴一種由腦脈沖控制的特制護目鏡，通過藍牙技術與獨輪車動力系統保持即時聯系。一旦前方有障礙物，護目鏡檢測到腦脈沖的變化就會自動發出減速或停車指令，保證騎車者的安全。

美國國防部開發出一種傳感器，將其植入癱瘓患者腦部，患者就能夠用大腦意念操控機械手臂，大大便利了患者的日常生活。這項技術依靠一個由數百個接觸點組成的4毫米傳感器實現，每個接觸點對應大腦中特定的位置，能夠即時“解碼”從腦細胞和神經中傳來的信號。信號被傳遞到電腦之后，由特定軟件對照人體運動模式進行解碼分析，并生成操作機械手臂的代碼。

用腦電波開車，也并不是開玩笑。不久前，捷豹路虎推出“意識傳感項目”，旨在研究汽車能否有效解讀腦電波，從而判斷駕駛者是在專注于駕駛，還是處于昏昏欲睡或注意力不集中的狀態。監測腦電波的最常見方法，是在頭部戴上安裝有傳感器的頭帶，但是這在車內并不適用。該技術采用了嵌入方向盤的傳感器，通過手部來監測腦電波，即便傳感源遠離駕駛者頭部，也能借助軟件把信號放大，將腦電波從各種干擾中過濾出來。最近，寶馬的研發人員改裝了一輛寶馬i3電動汽車，使其能夠僅憑一個人的意念來遠程駕駛。在展示中，通過將腦電波翻譯成駕駛指令，可以控制這輛車在一個曲線跑道上行駛。

歐美“腦計劃”

2013年4月，美國政府公布“腦計劃”，該項目旨在通過創新型技術的開發以及應用，從而能更好地理解大腦的功能特征，幫助人類攻克阿爾茲海默綜合癥、帕金森綜合癥以及其他大腦頑疾；啟動資金逾1億美元，在未來12年間預計總共將投入45億美元。歐洲“腦計劃”緊隨美國之后啟動，主要研究領域可以大致劃分為三大類：未來神經科學、未來醫學、未來計算。該計劃聯合歐洲26個國家、數百個實驗室，預計耗時10年，耗資12億歐元。日本政府也對腦科學研究興趣濃厚，緊隨美國和歐盟之后，宣布啟動日本“腦計劃”。該計劃為期10年，由日本理化學研究所（RIKEN）主導完成，旨在理解大腦如何工作，以及通過建立動物模型研究大腦神經回路技術，從而更好地診斷以及治療大腦疾病。

身處中美兩國學術前沿，我清晰感受到各國政府和學界在腦科學和類腦智能領域的競賽。 從各國已啟動的“腦計劃”來看：美國側重于研發新型腦研究技術；歐盟主攻以超級計算機技術來模擬腦功能；日本出臺的“腦計劃”則聚焦以狨猴為模型研究各種腦功能和腦疾病的機理。

腦科學和類腦研究的全球性熱潮反映了科學界和各國政府的三點共識：第一，腦科學是人類理解自然界現象和人類本身的終極疆域，也是本世紀最重要的前沿學科之一；第二，腦疾病所帶來的社會經濟負擔已超過心血管病和癌癥，腦科學的發展對腦疾病的診斷治療將有關鍵性的貢獻；第三，計算機技術和人工智能發展至今已面臨瓶頸，對人腦認知神經機制的理解可能為新一代人工智能算法和器件的研發帶來新啟發。各大國競相投入腦科學研究意義深遠。這不僅關乎人類的健康和福祉，也關乎未來的生產力，有望深刻改變社會。

中國“腦計劃”布局為“一體兩翼”

目前，全世界都在進行腦科學研究，中國也非做不可。中國腦科學家早在2013年就開始醞釀中國的“腦計劃”，“十三五”規劃綱要草案已經把腦科學和類腦研究列入國家重大科技項目。

與歐美、日本的“腦計劃”相比，中國“腦計劃”更為全面。據了解，中國“腦計劃”的全稱為“腦科學與類腦科學研究”，主要有兩個研究方向：以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究，以及以建立和發展人工智能技術為導向的類腦研究（見附圖）。科學家因此提出了“一體兩翼”的布局建議：即以研究腦認知的神經原理為“主體”，研發腦重大疾病診治新手段和類腦智能新技術為“兩翼”。目標是在未來15年內，在腦科學、腦疾病早期診斷與干預、類腦智能器件三個前沿領域，取得國際領先的成果。在國家的大力支持下，中國的腦科學研究有可能在未來10到20年時間實現跨越式發展，發展速度會超過歐美。

“中國腦計劃”主要解決大腦三個層面的認知問題：（1）大腦對外界環境的感官認知，即探究人類對外界環境的感知，如人的注意力、學習、記憶，以及決策制定等；（2）對人類以及非人靈長類自我意識的認知，通過動物模型研究人類以及非人靈長類的自我意識、同情心以及意識的形成；（3）對語言的認知，探究語法以及廣泛的句式結構，用以研究人工智能技術。

“腦計劃”對中國基礎腦科學技術研究平臺有很大的提升，這些技術體現在神經標記和神經環路示蹤技術、大腦成像技術、神經調節技術、神經信息處理平臺等方面。此外，該項目有望建立一個腦圖像國家平臺，一個有關大腦功能失調的血液生物庫和大腦生物庫以及大腦健康訓練和教育中心，對于基礎腦科學研究來說，由此帶來的長尾效應非常明顯。

除了能促進基礎腦科學外，中國“腦計劃”有益于我們對大腦疾病的探索。該計劃一旦落實，未來我們有望通過分子、影像以及相關標記物，即可在大腦疾病的早期診斷和干預上發揮重要作用，通過大腦疾病的遺傳、表觀遺傳，以及病理性功能失調等方面的研究，掌握大腦疾病的發生機制。我們常見的腦功能障礙疾病，如自閉癥、心理障礙、抑郁癥、上癮，以及神經衰退性疾病、阿爾茨海默綜合癥、帕金森等疾病都是這項計劃首先要攻克的目標。

類腦科學研究，則主要應用于人工智能技術的研發上。通過類人腦神經網絡模型和計算方法的建立，以及通過類腦計算、處理、存儲設備技術的研究，有助于我們對新一代人工智能機器，以及類腦機器人等項目的開發。

有所為，有所不為

歐美在腦科學所屬的神經科學領域研究的積淀十分深厚。與之相比，中國的神經科學研究還是一個蹣跚學步的孩童，“起步晚、體量小”是無法忽視的現實。中國的腦科學研究在20年前才開始真正起步。美國神經科學學會成員5、6萬人，而中國的神經科學學會成員只有6000人左右。中國也只有少數實驗室在神經科學領域具備國際競爭力，且研究人員偏年輕化，本領域領軍人物較少，仍需多年積累。

基于現實層面的考量，中國“腦計劃”的原則是“有所為，有所不為”。并不是所有領域都做，而是充分利用中國在數理、信息、材料、工程交叉學科方面的專長，在優勢領域做到世界領先。

中國腦科學研究的先天優勢是靈長類動物種類和數量非常豐富，并擁有腦疾病樣本的豐富資源，在猴類轉基因動物研究和非人靈長類腦疾病模型研究方面已走在世界前列。未來一二十年內，對小鼠神經網絡的研究將大致完成。其后，以非人靈長類動物為模型研究人類高等認知功能將成為重點，如思考、自我意識、共情以及語言等，這是中國必須抓住的機會。

復旦大學腦科學研究院研究員