競逐腦計劃 解密智慧之源

張田勘

大腦是人類智慧之源，依靠大腦和人體獨特的結構，人類成為擁有高級智慧的生物，創造了農業文明、工業文明，并正在向生態文明邁進。

為了弄清大腦的奧秘，需要研究并闡明大腦和神經系統的工作原理和機制，并以此為根基發展人工智能。不過，一直以來，人類對大腦的認識和理解十分有限。2021年，美國《科學》雜志公布全球最前沿的125個科學問題，其中16個問題與腦科學緊密相關，如“意識存在于何處”“人類情感源于何處”“人為什么需要睡眠”等。迄今為止，有近三分之一的諾貝爾生理學或醫學獎與腦科學有關，表明腦科學不僅是解開人類創新和創造之謎的關鍵，也是推進人類文明進入生態文明的基石。

人腦中約有1000億個神經元，只有了解它們是如何通過突觸連接等方式構成錯綜復雜的神經網絡和產生創造性思維的，才能將腦科學成果與人工智能、互聯網、大數據、云計算等技術進行結合，創造更多的物質財富和更高的人類文明形態。

世界各國紛紛投入腦計劃

2013年1月，歐盟宣布，投入10億歐元啟動由來自26個國家的135個合作機構參與、預期10年的歐盟人類腦計劃（HBP）。2013年4月，美國宣布投入38億美元啟動美國的大腦研究計劃（簡稱美國腦計劃）—創新性神經技術大腦研究計劃（BRAIN Initiative）。

2016年3月，中國發布的《“十三五”規劃綱要》將“腦科學與類腦研究”列為“國家重大科技創新和工程項目”，正式提出“中國腦計劃”。2021年9月，中國科技部發布《科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》，正式啟動中國腦計劃。國家撥款預算近32億元，計劃整體規模預計可達百億元。

歐盟、美國和中國的腦計劃代表了當今大腦研究的深度和廣度，因此，從這三項腦計劃可以了解當今最前沿的人類腦計劃的全貌、重要內容、實質和進展。

歐盟的腦計劃—模擬大腦功能

歐盟的腦計劃提出時間較早，而且比較全面。最初的計劃包括12個子計劃：

1.了解老鼠的大腦結構及其電化學功能；

2.了解人腦的結構及其電化學功能；

3.了解大腦如何執行其系統級別和認知功能的活動（系統和認知神經科學）；

4.推導高級數學模型以從研究數據中得出結論（理論神經科學）；

5.收集、組織和提供大腦數據；

6.建立大腦模擬平臺；

7.構建大腦復雜模型，并分析大量數據；

8.研究和了解大腦疾病分布及其各自的疾病特征；

9.研發和應用受大腦啟發的計算技術；

10.研發虛擬機器人和真實機器人，開發大腦模擬的測試環境；

11.管理與協調腦計劃的執行；

12.探索腦計劃在倫理和社會方面的影響。

歐盟的腦計劃也曾受到一些歐盟國家和研究人員的批評。2014年7月7日，154名歐洲研究人員向歐盟委員會發出一封公開信，認為該計劃的研究范圍過于狹窄，因而歐盟對該計劃進行了一些調整。

10年過去，歐盟的腦計劃取得了哪些成果呢？

在歐盟的腦計劃中，最主要的研究內容起源于一項名為“藍腦計劃”的腦科學研究項目。該計劃開始于2005年，目的是通過人工方式模擬哺乳動物的大腦，以用于治療阿爾茨海默病和帕金森病。由于研究人員使用IBM公司的藍色基因計算機（每秒鐘能夠進行22.8萬億次浮點運算）模擬大腦的各種機制，故名藍腦計劃。

2013年，歐盟在藍腦計劃的基礎上進行擴展，提出了為期10年的歐盟人類腦計劃。該計劃由亨利·馬克拉姆領導，用超級計算機模擬人工神經網絡模型，以實驗數據逆向打造哺乳動物的大腦。科學家希望通過這一充滿挑戰性的研究項目發現意識的本質。

在該項目中，科學家將研究重點放在了大腦皮層單元上。皮層單元是哺乳動物的大腦獨有的結構，也叫新皮層，它參與所有認知和情感功能。最初，研究人員模擬了大鼠的大腦新皮層柱，并認為這是新皮層最小的功能單位，負責意識、思維等高級功能。大鼠的新皮層柱包含約1萬個神經元和10⁸個突觸。雖然與大鼠的大腦有相似之處，但是人類大腦的新皮層體積更大、更復雜，每個柱體長約2毫米，直徑0.5毫米，包含約6萬個神經元。

2007年11月，在藍腦計劃階段，研究人員建立了一個用于創建、驗證和研究大腦新皮層柱的數據驅動過程。2008年，研究人員又建成了第一個由1萬個神經細胞組成的人工細胞新皮層柱。2011年7月，該計劃已經擁有了由100個新皮層柱組成的細胞中央環路，其中包含100萬個神經細胞。

在歐盟人類腦計劃啟動后，2014年，研究人員建立了一個老鼠大腦模型，包含100個中央環路，共計1億個神經細胞。當時，研究人員預測，2023年可以建成類似的人類大腦模型，細胞總數將達到1000億個，相當于1000個老鼠大腦的細胞總數。實際上，這就是人類大腦的平均容量。

另一方面，2015年，參與歐盟人類腦計劃的瑞士洛桑聯邦理工學院的科學家建立了一個定量模型，揭示了先前未知的大腦膠質細胞、星形膠質細胞和神經元之間的關系。這一模型可通過神經膠質血管單元（NGV）的功能來描述大腦的能量管理。

2017年，歐盟人類腦計劃的研究人員發現，神經元簇之間存在多達11個層面的聯系。因此，該計劃負責人馬克拉姆認為，之所以我們現在很難理解大腦的“網絡機制”，部分原因是通常用于研究網絡的數學方法無法探測到足夠多的層面。因此，研究人員下一步需要利用代數拓撲對神經網絡進行建模。

2018年，歐盟人類腦計劃發布了首個數字3D腦細胞圖譜。這一進展如同從手繪地圖到“谷歌地球”，提供了大腦737個區域的主要細胞類型、數量和位置信息。2019年，該計劃的研究人員已經完成了全部大鼠大腦皮層圖譜，虛擬腦電圖實驗即將開始。不過，利用超級計算機建立和模擬人的大腦功能并了解大腦的運行機理，還面臨著巨大挑戰。

歐盟人類腦計劃獲得的成果并不止于此，在其他方面同樣取得了進展。歐盟人類腦計劃已經建立了神經信息學、大腦仿真、神經計算、神經形態計算、人工智能機器人和醫療大數據6個信息學通信技術平臺，允許各國科學家共享、編輯和模擬腦研究數據。

近10年來，一些歐洲國家也陸續公布了不少腦科學方面的研究成果，如荷蘭的抑郁和焦慮研究（NESDA）收集了3000多名抑郁癥和焦慮癥患者數據，為認識和防治抑郁癥、焦慮癥提供了心理學、社會學、生物學和遺傳學方面的信息。同時，英國建立的生物庫（UK Biobank）是迄今為止世界上規模最大的人類健康資源庫，包含英國50萬名40～69歲志愿者的數據，不僅涉及遺傳、環境等與人類重大疾病相關的信息，也有大量關于大腦的信息供科學家進行分析、研究。

美國腦計劃—開啟腦計劃2.0

美國腦計劃由美國國立衛生研究院（NIH）領導，參與方不僅包括索爾克生物研究所、杜克大學、麻省理工學院和哈佛大學等美國研究機構，同時還有來自全球多個國家和地區的大學和研究所。

美國腦計劃目前分為兩個階段，預計隨著研究深入還會發展出第三階段和第四階段。該計劃的第一階段名為“腦計劃細胞普查聯盟”（BICCC），2014年正式啟動，主要開發高通量、高精度的研究工具，為大腦進行表征標記，并對腦細胞進行分類。美國腦計劃的主要任務集中于7個方面：發現神經元和神經膠質細胞類型的多樣性；繪制從神經突觸到整個大腦的多尺度圖譜；開發和應用大規模監測神經元活動的方法；證明大腦活動與行為之間的因果關系；確認大腦的基本工作原理；促進人類神經科學發展；探索神經活動模式如何轉化為情感認知機制。

2017年，BICCC項目擴大為“腦計劃細胞普查網絡”（BICCN）。該項目在整合腦細胞的分子學、形態學、生理學和解剖學特性的基礎上，進一步優化腦細胞分類，對哺乳動物大腦中的不同類型的細胞進行識別和編號。

無論哪種器官，其基本單位都是細胞，只有了解大腦細胞的組成才能更好地理解大腦的工作機制，并進一步探索相關疾病的發病機制。腦細胞普查就是要了解、認識所有腦細胞，記錄它們的形狀、特征、數量、位置、生物電信號等綜合信息，最后把獲得的信息編制成圖譜和目錄。因此，這個工作有點像人口普查。

現在，美國腦計劃第一階段的工作已經有了結果。研究人員已經完成了對人類和其他一些哺乳動物大腦初級運動皮層的圖譜繪制，主要成果發表在2021年10月6日的《自然》雜志上。該圖譜是在分子水平上繪制的哺乳動物初級運動皮層細胞類型特征圖，也是迄今為止最全面、最細致的哺乳動物大腦圖譜。

研究人員表示，通過對單細胞轉錄組、染色質可及性、DNA甲基化組、空間分辨單細胞轉錄組、形態學和電生理特性等進行大規模分析，并通過跨模態計算分析進行集成，完成了BICCN的初級產品。

這個成果能增進人類對腦細胞類型組織的總體認知和理解。比如，能揭示大腦皮層細胞類型的統一分子遺傳背景；提供了運動皮層的空間分辨細胞類型圖譜；證明了神經元的生物學有效性和基因組基礎；發現腦內（IT）細胞是初級運動皮層中最大的神經元分支。

研究者還發現，大腦中分泌γ-氨基丁酸的細胞集群也顯示出層狀分布。在非神經元的細胞簇中，血管軟腦膜細胞（VLMCs）形成了大腦皮層的最外層細胞。成熟的少突膠質細胞和一些星形膠質細胞則富集于白質（位于大腦皮層的深部，也稱髓質）。其他亞類的非神經元細胞則基本分散在大腦各層?？傊?，初級運動皮層中的神經元和非神經元細胞群形成了復雜的空間分布。初級運動皮層形成的復雜的空間組織，完善了傳統上定義的皮質層。此外，初級運動皮層神經元的投射并未遵循簡單的“一個細胞類型到一個目標區域”的模式，而是形成了一個復雜的多對多的投射網絡。

美國腦計劃第一階段并非僅取得上述成果，也推進了一些針對大腦疾病的研究，如美國進行了全美規模最大的關于大腦發育和兒童健康的隊列研究（ABCD），采集影像學、遺傳學、神經心理學等數據，為研究青少年認知功能的長期變化和兒童期腦疾病（如孤獨癥）提供了研究平臺。美國的ENIGMA項目采集了3萬余人的腦影像掃描數據與遺傳數據，是全球最大的腦圖譜項目，也是美國腦計劃的一部分。通過這些數據，醫療機構能夠更好地篩選孤獨癥、抑郁癥或阿爾茨海默病患者并提供早期診斷。

2022年，美國腦計劃第二階段的任務正式啟動，主要研究工作是描繪“腦計劃全細胞圖譜網絡”（BICAN），目標是在未來5年內繪制出一個完整的人類大腦細胞類型圖譜。該階段的任務也被稱為“腦計劃2.0”，包括三大研究課題：繪制綜合的人腦全細胞圖譜；構建哺乳動物大腦微連接性圖譜；研發精準靶向腦內各類細胞的工具和技術。

具體而言，腦計劃2.0要繪制人類大腦從出生、發育到成熟、衰老等各個階段的全細胞圖譜，同時還要描繪不同人種、不同生活習慣等因素對人腦全細胞圖譜的影響。因此，人腦全細胞圖譜完成后可以為研究大腦相關疾病提供更多、更好的線索，為研究神經退行性疾病、癡呆癥、精神疾病、成癮疾病等的發病機制和防治提供幫助。

美國國立衛生研究院將為腦計劃2.0投入超過5億美元的資金，除了繪制人腦全細胞圖譜，還要研發精準靶向腦內各類細胞的工具和技術，開發病毒載體和脂質納米顆粒，以定位和調整特定類型的腦細胞。此外，科學家還會研究數百個人類大腦。

因此，美國的腦計劃2.0在未來幾年內（至2027年）可能會取得更多突破性進展。

中國腦計劃—力爭國際領先成果

中國腦計劃圍繞大腦認知原理分析、認知障礙相關重大腦疾病、類腦計算芯片與腦機智能機器人、兒童青少年大腦智力發育研究、技術平臺建設5個方面展開研究。

根據科技部于2021年公布的《科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》，我國相關機構已經部署了59項研究，如神經細胞的起源、分化與老化進程；新型無創腦機接口技術；嬰幼兒社會情緒與交流能力發展的腦機制；多模態、多尺度腦圖譜研究新技術等。中國腦計劃將在腦科學、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。

目前，中國腦計劃提出了早期階段的具體任務目標：

通過建立中國人腦健康多維度大數據庫，結合遺傳學、影像學、癥狀學等多模態數據，利用共享計算分析平臺，建立若干種認知障礙相關重大腦疾病精準早期診斷標準和干預手段，力爭讓中國的研究證據在孤獨癥、抑郁癥、癡呆等疾病的國際臨床指南中超過1/3；

通過繪制重大腦疾病表型特征譜，研發出在國際上領先的早期診斷、有效治療的新技術和疾病復發預警系統，實現腦疾病的早預防、早診斷和早治療；

依托臨床隊列研究和數據庫，借助分子生物學、生物信息學和影像學等學科的快速發展，在分子、神經環路、神經網絡以及疾病人群等多個層次全面解析腦疾病的發病機制。

由于中國腦計劃側重于大腦疾病的防治，因此在腦疾病診治方向上設立了三個子任務：孤獨癥等兒童疾病、抑郁癥等成年疾病和癡呆等老年疾病的研究。每個子任務都有具體的研究目標：對孤獨癥的確診率和治療有效率提高40%；對抑郁癥的早期診斷正確率提高50%，累計臨床治愈率提高50%，抑郁癥引起的致死致殘率下降20%；對癡呆實現早期預警，延緩疾病發生，提高生活質量。同時，在中國腦計劃第一個5年任務期內，爭取建成中國人腦健康多維度大數據庫；開發適合中國人群的腦健康風險預測模型及個體化早期診斷、治療方案和綜合干預模式。

目前，與認知障礙相關的腦疾病在“負擔排名”中已經超過腫瘤、心血管疾病。全球約有9.7億人患有腦疾病，占世界人口總數的13%以上。在中國，精神障礙類疾病患者約為2.4億人，患病率高達17.5%，其中孤獨癥的患病率為0.7%，抑郁癥的患病率為3%～5%；阿爾茨海默病的患病率為0.7%～22%；在65歲以上的老年人中，帕金森病的患病率為1.7%。

此外，腦疾病也是我國致殘率、致死率最高的疾病，90%的自殺死亡者患有與認知障礙相關的腦疾病。近年來，阿爾茨海默病在我國已經呈現年輕化趨勢。然而，目前仍缺乏有效預防、診療腦疾病的手段，因此，預防和診療各類腦疾病是中國腦計劃中極為重要的任務。

歐盟的腦計劃側重于通過超級計算機技術模擬腦功能，以實現人工智能。美國的腦計劃重點在于探索人類大腦工作機制、研發大腦不治之癥的療法等。中國腦計劃的目標是在計劃提出后的15年內（2016—2030年），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。

盡管目標有差異，但從歐盟、美國和中國的腦計劃可以看出，腦科學是未來生物醫學、人工智能研究的重點領域。相信不遠的未來，在各國科學家的共同努力下，腦科學相關學科將迎來突破性進展，更多腦部受損、腦疾病患者及其家屬將從中獲益。

【責任編輯】張小萌