歐洲人腦計劃成敗幾何

梁宇

為期十年的人腦計劃在2023年9月份結束。《自然》審視了其成就和曲折的歷史。

作為由歐盟資助的最大型研究項目之一，歐洲人腦計劃（Human Brain Project，HBP）歷時長達10年，于2023年9月結束。HBP由近500名科學家參與，耗資約6億歐元，其宏大目標是通過在計算機里建立大腦模型以探索其奧秘。

項目執行期間，在HBP的資助下，研究發表了數千篇論文，并在神經科學領域取得了重大進展，例如創建了至少200個腦區的詳細三維地圖；開發了用于治療失明的腦植入物，并使用超級計算機對記憶和意識等功能進行建模，并推進了各種大腦疾病的治療。

“當項目開始時，幾乎沒有人相信利用大數據的潛力，以及利用大數據或超級計算機來模擬大腦復雜功能的可能性。”歐盟委員會副總干事托馬斯 · 斯科達（Thomas Skordas）表示。

然而，幾乎從一開始，HBP就已備受爭議。該項目未能實現模擬整個人腦的目標——許多科學家本來就認為這個目標很難實現。HBP多次改變研究方向，其科研成果變得“零散和拼湊”，法國國家科研中心（CNRS）的認知科學家、研究主任伊夫 · 弗雷尼亞克（Yves Frégnac）說。在他看來，該項目未能提供對大腦的全面或原創性理解：“我沒看到整個大腦，我只看到大腦的點滴。”

HBP的管理人員希望通過一個名為歐洲腦研究基礎設施（EBRAINS）的虛擬平臺，進一步推動這一認識，這個平臺是作為項目的一部分創建的。EBRAINS是一套工具和影像數據，全球的科學家都可以用它進行模擬和數字實驗。法國艾克斯-馬賽大學的神經科學家、HBP董事會成員維克多 · 吉爾薩（Viktor Jirsa）說：“如今我們手頭有了所有的工具，來構建一個真正數字孿生大腦。”但這一領域的資金尚不確定。而且在其他地方正在緊鑼密鼓開展大規模昂貴的大腦項目時，歐洲的科學家正因他們的項目行將結束而沮喪。2019年加入HBP的阿姆斯特丹大學計算神經科學家豪爾赫 · 梅希亞斯（Jorge Mejias）說：“我們可能趕上了最初發起對大腦興趣的浪潮，但現在這領域已經你追我趕，我們沒時間停下來打盹。”

曲折的歷史

HBP一開始就備受爭議。2013年啟動時，其關鍵目標之一是開發所需的工具和基礎設施，以更深入地了解大腦的功能和組織及其相關疾病，同時推進基礎和臨床神經科學的小型項目研究。該項目是當年獲得資金的兩個長期研究項目之一，旨在促進歐洲產業發展，另一個項目是研究石墨烯的潛力。

HBP最初被承諾將獲得10億歐元的資金支持，但最終只獲得了6.07億歐元，其中包括來自歐盟的4.06億歐元。這些資金分四個階段發放，并分配給在每個階段競爭撥款的實驗室。（見“人腦計劃的演變”圖。）

但HBP在第一年就遇到了麻煩。

HBP的創始人、前主任、瑞士洛桑聯邦理工學院的神經科學家亨利 · 馬克拉姆（Henry Markram）說，HBP將能夠在十年內在細胞水平上重建和模擬人腦。馬克拉姆的豪言招來了神經科學家的廣泛懷疑。但馬克拉姆認為：“當科學開辟新道路時，爭議自然隨之而來。”

這一高大上的目標可能有助于HBP獲得資金支持，英國劍橋大學的計算神經科學家蒂莫西 · 奧利里（Timothy O'Leary）說：“要沒有一些有點離譜的雄心壯志，不清楚HBP是否能獲得資金支持。”

隨著時間的推移，馬克拉姆的領導能力受到質疑。2014年，他和執行委員會的其他兩名成員改變了項目的研究重點，砍掉了認知神經科學的大部分研究，導致由18個實驗室組成的團隊退出了此項目。馬克拉姆表示，各個部門的資金分配存在爭議。作為回應，超過150名科學家簽署了一封抗議信，敦促歐洲委員會在第二輪資金撥款之前重新考慮HBP的目標。信中稱HBP管理不善，部分偏離其科學路線。馬克拉姆說：“很明顯，神經科學界的一些人還未準備好在同一愿景下團結起來。”

歐盟成立了一個由獨立專家組成的委員會，審查項目的運行方式并修訂其科學目標。該委員會建議HBP重新評估并更明確地闡述其科學目標，以及將認知和系統神經科學重新納入其核心計劃。2015年2月，HBP的董事會投票解散了三人執行委員會，并啟用一個更大的董事會取而代之。

這場動蕩使一些科學家對此項目感到擔憂。梅希亞斯說：“這種懷疑情緒一直縈繞在大家心頭。”

與此同時，其他地區啟動或加快推動了大型腦科學項目。美國和日本與HBP大致同一時間啟動了腦科學項目，前者將持續到2026年，后者希望總共運行15年。中國的腦計劃始于2021年，而澳大利亞和韓國的項目截至2023都已進入第七年。

HBP的戲劇性事件并未隨著執行委員會的撤換而落幕。在2016年至2020年期間，該項目管理層發生了數次變動。與此同時，科研工作開始加速進行。2016年，作為項目發展階段性結果，HBP啟動了6個專門的運營平臺，涵蓋了大腦模擬、高性能分析和計算以及神經機器人技術等領域。

計劃是隨著時間的推移將這6個領域整合在一起，但最初它們“相當各自為政”，德國尤利希研究中心的神經科學家、HBP科學研究主任卡特琳 · 阿蒙茨（Katrin Amunts）說：“像HBP這樣龐大的項目意味著有個學習過程，不是一切從一開始就能夠順利運行的。”

精彩亮點

撇開管理不談，HBP已經積累了一些重要且有用的科學成果。通過創建和整合大約200個大腦皮層和更深層腦結構的三維地圖，HBP科學家制作了人腦圖譜。此圖譜展示了大腦的多層次組織，從細胞和分子結構，到其功能模塊和連接。

“人腦圖譜有點像谷歌地圖，但是大腦那種。”阿蒙茨在2023年3月HBP峰會的新聞發布會上說。

此圖譜使用了尸體解剖的腦數據生成了標準化地圖，考慮了不同人之間的自然差異。借助此圖譜，HBP的科學家在前額皮層中確定了6個以前未知的大腦區域，這些區域與記憶、語言、注意力和音樂處理有關。這些圖譜還關聯了與美國艾倫腦科學研究所的艾倫人類大腦圖譜中的基因表達數據，該數據庫描述了整個大腦的神經元。用匹配圖譜，研究人員揭示了與抑郁癥相關的基因表達變化，與額葉皮層某一區域結構和功能變化間的聯系。

HBP的研究人員還開發了獨特算法，可以從顯微圖像構建大腦區域的全尺寸支架模型。利用這個工具，研究人員制作了海馬體的海馬1區域（CA1，此區域對記憶很重要）的詳細地圖，該地圖包含大約500萬個神經元和400億個突觸。

HBP已經將一些研究成果轉化為臨床應用，使用大腦的個性化模型，或稱“數字孿生”，來改善癲癇和帕金森病的治療。“數字孿生是根據一個人大腦的數學表現，將個體的掃描與模型融合。”吉爾薩解釋道。

吉爾薩和他的同事于2019年6月啟動了一項名為EPINOV的臨床試驗，以測試使用腦掃描數據構建數字模型是否有助于確定癲癇的發作原因，并提高癲癇手術的成功率。EPINOV試驗已經在法國的11家醫院招募了356名患者。吉爾薩希望通過EBRAINS向其他研究人員提供試驗的成像數據。

HBP最初的項目計劃包括開發以大腦為模型的計算系統。HBP的科學家們已經為神經網絡做出了貢獻，能夠模擬大型類腦系統，用于測試關于大腦如何工作的想法，或控制其他硬件，如機器人或智能手機。

并非全貌

HBP項目的組織者和批評者都提到了貫穿此項目的一個致命問題：碎片化。這是神經科學研究中長期存在的問題。“我看到了些非常靈巧的應用，但你看不到多尺度整合，也沒有應對重大問題。” 弗雷尼亞克說。

在項目最后三年里，HBP試圖通過將其跨學科子項目的技術融合到EBRAINS中來克服其碎片化。HBP的6個平臺采取了各種措施，開始開發兼容的工具和共享的數據標準，一些團隊重新組織以側重于特定的科學挑戰，而非聚焦學科。“但有許許多多工作要做。” 吉爾薩說，“神經機器人技術與更具臨床驅動的團隊仍沒關聯起來。”

在一些研究人員看來，HBP分散的科學成果來源于缺乏焦點。“一個科研項目持續十年，我會期望它能產生概念性的突破。”德國哥廷根大學的理論神經生理學家弗雷德 · 沃爾夫（Fred Wolf）說道，但他說HBP的情況并非如此，他在簽署那封公開信后離開了HBP。

巴黎綜合神經科學與認知中心的神經科學家大衛 · 哈塞爾（David Hansel）說，HBP缺乏優先次序，合作受限，導致未能充分利用其規模，也未能真正將神經科學界團結在一個共同目標中。“它沒有一個要解決的、明確合理的問題清單。基本上，‘目標只是理解大腦。”

美國國家衛生研究院 “推動創新神經技術進行腦研究”（BRAIN）計劃集中于開發工具，分類、監測和測量大腦，項目主任約翰 · 奈（John Ngai）認為，強調數據收集，畢竟假設驅動的科學是站不住腳的。

遺產

HBP的經費在2023年9月底截止。盡管一些源于該項目的工作已經獲得資金繼續開展，但對于許多曾在HBP中部分或完全合作過的研究人員來說，未來充滿不確定性。

但阿蒙茨等人希望，HBP的工作和EBRAINS平臺將成為未來幾年歐洲神經科學的基礎。“大腦研究需要理解大腦的多層次和多尺度。” 阿蒙茨表示。

2018年1月，HBP獲得了5000萬歐元的資助，其中包括來自歐盟的2500萬歐元，用于開發EBRAINS的交互式超級計算工具和數據存儲服務。

研究人員已經在利用這一平臺，如研究大腦如何對刺激做出反應，以及開發類似大腦的機器人。約翰 · 奈表示，HBP轉向EBRAINS已經產生了一個寶貴工具。類似的平臺別處也有，但它們缺乏EBRAINS提供的規模和服務。

2023年3月，歐洲委員會拒絕了一份為維持EBRAINS運行所需3800萬歐元的資金申請，但在與HBP協商后，于6月重新開放了同一資金申請，為團隊提供了再次申請機會。如果申請失敗，該平臺將依賴于私人資金和來自歐盟各國的財政支持。

與此同時，歐洲委員會正準備進行評估。此項目的最終審查將于11月開始，預計將于2024年1月發布。“如果不想在全球神經科學領域里過上所謂的人工智能寒冬，就需要讓它受到尊敬。的確需要評估這種旗艦計劃到底好不好。” 弗雷尼亞克說。

但HBP的結束并不意味著歐洲神經科學的結束，EBRAINS首席執行官兼HBP總干事帕維爾 · 希維博達（Pawe? ?wieboda）強調。

歐洲委員會和成員國正在計劃歐洲大腦健康研究的下一個階段，重點是利用個性化大腦模型來推進藥物研發和改進大腦疾病的治療方法。但研究人員表示，未來的項目需要避免HBP所面臨的問題。

“我們不想再做一個HBP，像它起初的那個樣子。”奧利里說，“小規模、集中的科學以及雄心勃勃的綜合項目都需要支持。”到頭來，這個大型項目確實創造了一批科學家社群，專注于一些共同的目標，他說：“這是一個會對未來持續產生影響的遺產。”