人类大脑计画

人类大脑计画

人类大脑计画包括神经科学和信息学相互结合的研究，其核心内容是神经信息学。脑科学和信息学是当今国际科学研究的两大热点，神经信息学是这两大学科相结合的新兴的边缘学科。其目标是利用现代化信息工具，使神经科学家和信息学家能够将脑的结构和功能研究结果联繫起来，建立神经信息学资料库和有关神经系统所有数据的全球知识管理系统，将不同层次有关脑的研究数据进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘製出脑功能、结构和神经网路图谱，从而解决目前神经科学所面临的海量数据问题，从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解，达到“认识脑、保护脑和创造脑”的目标。美国在这方面处于领先地位。

曼哈顿计画、阿波罗登月计画和人类基因组计画是划时代的三大科学工程，它们给整个人类社会带来了深远的影响。人类基因组计画是生物实验结果和信息学的完美结合，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生态平衡和生物学研究作出不可估量的贡献。许多科学家认为，在人类基因组计画之后应该是人类蛋白质组计画和人类脑计画。

人脑的複杂性远远超出了我们目前（21世纪初）的认识能力，传统的细胞生物学等的实验室研究对于解决人脑对複杂信息的获取、处理与加工及高级认知功能的机制，犹如只见树木不见森林。神经信息学工具和资料库的套用，使得我们可能从有限的实验数据中找出神经信息获取、处理和整合的规律和法则，提出在各种刺激条件下，脑内信息加工的数学模型的实验假设和用计算机模拟脑内神经信息网路。可以说，人类脑计画近20年的发展历程处处与神经信息学紧密相连。

人类脑计画的基本概念起源于80年代早期。在美国国防部、NIH和NSF联合召开的一次会议上，神经科学家和计算机专家集中讨论了“利用计算机技术建立脑的资料库和模型”的议题。美国科学院医学研究所于1989年成立了专家委员会，对利用现代信息学方法研究脑的科学性和可行性进行了论证。历时2年，收集了150名科学家意见。1991年夏天发布了题为《MappingtheBrainandItsFunction:IntegratingEnablingTechnologiesIntoNeuroscienceResearch》的报告。建议设立一项研究计画，专门用于资助那些神经科学与信息学相互结合的研究，神经信息学从此而诞生。

1992年，美国国立精神健康研究院（NIMH）正式确定支持这一行动，成立了“人类脑计画”联邦协调委员会（FICC-HBP），负责组织协调和指导这项工作。当年得到了4个部15个联邦机构的联合资助。包括美国国立健康研究院（NIH）、美国国家自然科学基金会（NSF）、美国海军（0fficofNavalResearch）、美国宇航局（NASA）和能源部等。1993年4月2日，美国联邦资助小组联合发布了“人类脑计画”的第一个项目公告：人类脑计画的可行性研究，由美国国立健康研究院承担。

人类大脑计画

人类大脑计画

1995年10月该计画的修订版本发表，对人类脑计画的重要性和特殊性予以确认。要求每个课题应包括脑（包括行为）和信息学两方面的研究内容。信息学重点研究：建立适用于脑和行为研究的资料库、质询方式和修订工具；数据具体化、整合和合成的研究；在现有信息工具和资源之间建立桥樑的研究。脑的研究包括在器官、组织、细胞、分子、基因水平的研究。行为研究主要是学习、记忆、认知、情感和语言等。

1997年人类脑计画在美国正式启动，美国20多家着名的大学和研究所参加了这个研究计画。50多位神经信息学的课题负责人得到该项目的基金资助。他们充分利用神经科学和信息科学的优势条件进行研究，相互间建立合作关係，利用电子网路互通信息，运用资料库进行资源共享。

1996年在巴黎的政府间实体———经济合作发展组织（OECD）的科学论坛批准建立以美国为领头国家的神经信息学工作组，参与国包括美国、英国、德国、法国、瑞典、挪威、瑞士、澳大利亚、日本等19个国家，欧洲委员会也作为正式成员参加。其目的是组织和协调全世界神经科学和信息学家共同研究脑、开发脑、保护脑和创造脑。根据规定，成员国之间可利用电子网路寻求研究协作伙伴，进行数据交换和科研协作，可以免费使用通用神经信息学资料库和信息工具，承担科研任务，同享科研成果和脑研究资源。

美国国立精神卫生研究院副主任，美国国立卫生研究院神经信息学部主任——考斯陆博士是全球人类脑计画的负责人。考斯陆博士是一名神经药理学家，他在神经科学、心理学和药理学等领域出版了多本着作，发表了100多篇科研论文，还得到了十几个不同的荣誉和奖章。考斯陆博士创建NIH第一个神经科学项目，并出任NIMH基础与临床神经科学部主任。几年前他又创建了着名的人类脑计画并出任NIH该机构主任，该机构目前已资助数千万美元专项科研经费用于人类脑计画和神经信息学的研究。美国的几个着名大学，如哈佛大学、耶鲁大学、加州大学、康乃尔大学等都承担了人类脑计画的研究课题。

没有一个国家能独立完成“人类脑计画”这项巨大的工程，它需要像人类基因组计画那样开展国际间的大规模协作。目前，国际性的神经信息合作组织已在全球召开了4次工作会议，共同策划“全球性人类脑计画和神经信息学”。具体已提出几项重大建议：创建全球性的神经信息学电子网路，开发先进的神经信息学工具、方法和资料库，通过数据资源共享和建模仿真来了解神经系统的结构和功能，推动科学进步。

2013年3月公布美国一项名为“脑活动绘图”的计画，参与者包括国家卫生研究院、国防部高级研究项目局、国家科学基金会等联邦机构，霍华德·休斯医学研究所、艾伦脑科学研究所等私营机构，以及神经学家和纳米科学家组成的团队。他们将共同推进对人类大脑近千亿神经细胞的理解，加深对感知、行为以及意识的研究。这一计画也有助于加深阿尔茨海默氏症、帕金森氏症等疾病的理解，找到一系列神经性疾病的新疗法，并有望为人工智慧领域的进展铺平道路。

揭示大脑的奥秘是新世纪人类面临的最大挑战

人之所以成为万物之灵，有别于其它物种，是因为人类有极其複杂的大脑，它是千百万年进化的结晶。在过去的六亿年中，生物体通过进化产生出由大量神经元相互联结而形成的神经网路，解决了在不断变化的複杂环境中人脑如何处理各种複杂信息的问题。尤其是人的高级认知功能的高度发展，使得人类成为万物之首，具备了主宰世界的能力。科学研究发现，一个成人大脑重约3．3磅，体积1．5公升，脑内有上千亿个神经细胞，还有超过10^14个神经突触。大脑是生物体内结构和功能最複杂的组织，是接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令产生行为的指挥部，它掌管着人类每天的语言、思维、感觉、情绪、运动等高级活动。人脑也是极为精巧和完善的信息处理系统，是人体内外环境信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。

由于人脑的结构和功能极其複杂，需要从分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合，才有可能揭示其奥秘。为此，世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究，美国把九十年代最后十年定为“脑的十年”，欧洲确定了“脑的二十年研究计画”，日本将21世纪视为“脑科学世纪”，脑科学的研究热潮遍布全球。科学家们提出了“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标，人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地了解自己、保护自己、防治脑疾病和开发大脑潜能等方面做出重要的贡献，“了解大脑、认识自身”是21世纪的科学面临的最大挑战。

人类脑计画正在进行的项目包括：神经元（突触、受体、离子通道等），神经网路模型，脑解剖图谱、功能图像等。受体和离子通道的资料库直接与人类基因和蛋白质序列库相连结，具有一致的数据格式，同时还提供可能的立体结构。在人类脑计画中项目组最多的要数脑功能图像方面，包括fMRI，PET，脑地形图等。美国人类脑计画包括在实验数据的基础上发展脑结构、功能、整合和分析的理论模型和仿真计算。

人类大脑计画

人类大脑计画

若研究人员想搞清楚流过大脑迴路的电子信号，他们就需要同时记录儘可能多的神经元活动。

21世纪，研究人员主要通过在大脑中植入金属电极的方法来监测神经元活动。但这种做法伴随着巨大的挑战：每个电极都需要连线电线来测量模拟信号，但是这种信号在传输过程中很容易丢失或失真。此外，这些电线必须细如髮丝以避免组织损伤。经历50年的发展，电极技术的发展令我们可以同时记录数百个神经元的活动。但它们还需要继续挑战，捕捉并记录更高质量的信号。由硅製成的新一代极致小型化神经探索装置的问世，使这一切成为可能。这类神经探索装置的前身于今年2月在美国加州旧金山市举行的国际固态电路会议上亮相。它只有1厘米长，如纸币那幺薄。当它被插入到小鼠的大脑中时，IMEC装置上的电极能够同时在老鼠的所有大脑皮层上记录信息。这可以帮助神经科学家拆分大脑中的複杂电路。Imec生物和纳电子学主管PeterPeumans表示，3年内神经探索装置将拥有更多的电极和电线。

除了测量神经迴路的电活动，研究人员还希望刺激相应的神经元以观察它们的反应。目前每个IMEC的探头包括四个刺激电极，但是信号记录和刺激施加的过程会互相干扰，因此研究人员也尝试利用光刺激取代电刺激。一个研究小组最近在小鼠身上使用光学技术，使之产生重複行为，形成强迫症模型。

下一代的光学神经探针将不再需要光线传导，直接将光定位在研究需要的大脑位置。例如今年4月，华盛顿大学的MichaelBruchas提出了这种无线模型：光子基因晶片结合发光二极体，可以被无线电信号激发，从而定位在视蛋白上。未来有可能带来更先进的方法，一些科学家们提出了纳米水平上的的感光器件，可以埋在神经元膜下并以细胞能量和大量神经元活动能量为动力。

还有一种思路不需要利用测试设备，而是捕捉脑电活动留下的痕迹。Kording和他所在的团队正在利用DNA聚合酶来实现这一点。他和他的同事们设计了一种人工合成的DNA聚合酶，当被周围高浓度钙包围时，就会在这种酶构建的DNA链上插入错误的硷基。如果将此聚合酶添加到神经元，当动作电位导致细胞内钙的水平上升时，DNA链编码就会出现错误。之后再根据DNA的长度和序列追溯电位活动。但这一技术才刚刚起步。

研究人员一直在收集有关神经元活动和电路的信息，这都是为了绘製一份可靠的高度详细的大脑解剖图。

一个多世纪以来，绘製大脑解剖图都是将大脑切成儘可能薄的切片，并在光学显微镜下观察这些切片。但是将这些数量惊人切片有序排列对齐，还是非常不易的。

即便如此，德国尤利希研究中心的KatrinAmunts和她的团队仍然完成了这项工作，前所未有地展示了人类大脑的细节。他们将一名65岁妇女的大脑分割成7400层20微米厚的切片、染色、成像，然后用两个超级计算机经1000小时将数据拼凑起来。整个工程用了10年。

哈佛大学的JeffLichtman和德国马克斯普朗克神经生物研究所的WinfriedDenk目前正在使用一种新的电子显微镜，这种显微镜可以绘製更薄的大脑切片。使用常规的电子显微镜，每次扫描只能构建立方毫米的脑组织，因此要花上几十年才能完成整个脑部的扫描，新的显微镜，可以将这一过程缩短到几个月。但他们未解决的是如何将这些局部图像重建成一个完整的三维图像。在一个研究项目中，使用传统的电子显微镜，拼接很小的老鼠的视网膜数据，居然动用了230人。Denk认为开发新的计算机算法是当务之急。

现在有很多简单的方法绘製粗略的大脑解剖图。4月亮相的新技术CLARITY——用透明凝胶取代在大脑中的不透明脂质，通过这种方法观察神经元而不需要切片。

人脑研究最大的挑战在于弄清大脑存储与处理数据的方式。Lichtman和Denk发现，1立方毫米的脑组织便可以处理2000太位元组。Denk估计，一个完整的老鼠大脑可以产生60拍位元组的信息，而人类的大脑则可以处理200艾位元组的信息。这个数据量可以与许多大型数据储相媲美。

而这一切仅仅是个开始。神经科学家最终要收集每个人都独一无二的大脑解剖信息，并分析其背后的神经活动。他们需要储存并系统化地组织这些多样化的数据模式，以便更深入探索大脑的奥秘。

欧洲的人脑计画旨在提供一个模拟大脑，使研究者可以实时地与它互动，这就增加了另一个层面的需求。人脑计画合作者之一、西班牙巴塞隆纳超级计算中心的JesusLabartaMancho说：“我们面临的挑战之一便是开发一种计算机语言，以便更高效地利用超级电脑。”以目前的设备来进行人脑计画，超级计算机将不堪重负。

但美国纽约冷泉港实验室的生物数学家ParthaMitra认为，认知大脑的更大挑战来自社会。“追蹤大脑的工作原理与追蹤希格斯玻色子不同，每一个希格斯玻色子都会跟着同一个单独目标移动。就比如团队中的每个个体在设立团队目标时会畅所欲言，一旦目标设立完毕，便会严格自律，共同完成团体目标。”

人类大脑计画

人类大脑计画

1970年至2000年的30年间，美国神经科学学会的会员人数增长了近30倍，2000年达到28，000人左右，每年年会的论文摘要增长了近100倍，2000年已达到15，000篇左右，遍布神经科学研究的各个领域。以往有关脑的研究包括神经解剖、神经生理、神经病理、神经生化、神经免疫、神经电生理、神经心理等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的实验数据和研究结果。近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘，先进的基因晶片技术在每秒钟就可以得到大量的实验数据。脑功能成像（fMRI、PET等）的套用使我们能够从活体和整体水平来研究脑，好比窥探脑的视窗，可以在无创伤条件下了解到人的思维、行为活动时脑的功能活动。这些新方法、新技术极大增强了我们从微观与巨观两个水平上进行脑研究的能力，同时也产生了海量的实验数据。没有哪个科学家、实验室能够掌握所有的信息并独立地进行脑的全面研究。

面对这样的信息爆炸，新的需要产生新的学科，新的模式产生新的突破。神经科学家面临的重要问题之一，就是能否灵活有效地管理数据，最大限度地利用实验数据，减少不必要的重複性研究和人力、物力的浪费。

计算机和信息技术的飞速发展为我们提供了解决方案，信息工具的套用为我们解决这一问题创造了条件。所以，建立全球神经信息资料库和神经信息电子网路，已经迫在眉睫。神经科学家和信息学家都在呼吁，应加强神经科学和信息学的合作和相互渗透，採用一种新的研究模式，即实验数据→数学理论→计算机模拟和预测→生物学实验验证→数学模型与验证后的理论，往往可以达到事半功倍的作用，大大加快脑的研究进程。

20世纪末，Nature、Science、TrendsinNeuroscience等着名学术期刊对人类脑计画与神经信息学纷纷进行了报导。他们认为人类脑计画比基因组计画更大，囊括了更加广泛的内容，是一项更加伟大的工程。

1996年，以美国为首的神经信息学工作组建立，其目的是组织和协调全世界神经科学和信息学家共同研究脑、开发脑、保护脑和创造脑。根据规定，成员国之间可利用电子网路寻求研究协作伙伴，进行数据交换和科研协作，可以免费使用通用神经信息学资料库和信息工具，承担科研任务，同享科研成果和脑研究资源。

2001年7月，唐一源教授应美国国立卫生研究院神经信息学部主任、全球人类脑计画负责人考斯陆博士的邀请，访问美国NIH人类脑计画与神经信息学总部，并做专题报告“中华人类脑计画与神经信息学的进展”，使考斯陆博士及美国其他科学家认识到中国的实力和决心。于是考斯陆博士发出专函：“同意中国唐一源、唐孝威和尹岭博士参加始建于2000年的经济合作与发展全球科学论坛神经信息学工作组”。考斯陆博士认为中国专家参加这一活动具有极其重要的意义，这将有助于中国在这一领域的研究与国际发展保持同步，中国的参与将会对全球神经信息学的形成和发展产生重大影响。

2001年10月4—5日，我国科学家赴瑞典参加了人类脑计画的第四次工作会议，成为参加此计画的第20个成员国。中国科学家表示，要积极配合国际神经信息网路及资料库，建立中国独特的神经信息平台、电子网路和信息资料库，才能在合作中不受制于人，更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。

许多科学家认为，中国的神经信息学的总体研究水平落后于已开发国家，21世纪初的10年是神经信息学快速发展的阶段，也是竞争性最强的阶段。我们加入越晚，失去的机会就越多，造成的损失就越大。由于我们没有足够的时间和财力去开发研製自己的资料库和信息工具，即使研製出来，也得不到国际上的承认，难以与国际接轨。如果购买或租用国外的信息工具，不但造成经济损失，而且中国在这方面的研究会永远处于被动状态。

同时，神经科学研究日益深入和专业化，几乎没有哪一个科研人员能够精通脑科学的全部领域。显然，以往通过发表论文或参加会议来进行学术交流的形式已严重製约了科研思路和成果的产生。而国际人类脑计画中的神经信息电子网路可以为研究人员提供信息交流的快速工具，成员国的科学家可以利用神经信息电子网路进行数据交换、分析、整合、建模等工作。参加国际的合作会极大促进国内有关工作的进行。不过，所有这一切都必须有一个大前提———加入国际性神经信息合作组织，参加国际人类脑计画的研究工作。

在人类基因组计画这个宏伟的全球性科研大计画中，中国科学家经过艰苦卓绝的努力，克服了重重困难，争取到1%的测序任务。然而，就是这1%产生了巨大的政治和经济效益，再一次向世界宣告，中国科学家具有做出世界一流科研成果的能力，使中国跻身于人类基因组计画的行列，站到了这一研究领域的前沿，并理所当然地分享人类基因组计画的研究成果。

唐一源教授与美国NIH神经信息学部主任、国际人类脑计画与神经信息学工作组织总负责人考斯陆博士一直保持着紧密的联繫。经过持续不懈的努力，考斯陆博士终于同意唐一源教授作为特邀代表，首次参加在日本理化研究所举行的“全球科学论坛神经信息学工作组”第三次会议。唐一源教授在这次会议上，首次向全世界19个国家的代表介绍了中国在本领域的工作，引起强烈反响。同时应邀访问美国几个重要的“人类脑计画与神经信息学”研究基地，与负责人广泛交流探讨，探索国际合作研究项目，参与人类脑计画。此举使考斯陆博士及美国其他科学家认识到中国的实力和决心，于是考斯陆博士发出专函：“同意中国唐一源、唐孝威和尹岭博士参加始建于2000年的经济合作与发展全球科学论坛神经信息学工作组”。考斯陆博士认为中国专家参加这一活动具有极其重要的意义，这将有助于中国在这一领域的研究与国际发展保持同步，中国的参与将会对全球神经信息学的形成和发展产生重大影响。

考斯陆博士应唐一源教授邀请访问中国，在大连理工大学、解放军301医院、168次香山科学会议分别做了“人类脑计画及其资助机会”的科学报告，引起强烈反响。同时国家自然基金委、科技部等有关部门的领导非常重视和关注人类脑计画与神经信息在国内的发展，分别会见了考斯陆博士并进行了友好协商，支持中国参与全球人类脑计画。在国家科技部、自然基金委、301医院、大连理工大学、浙江大学、中国科学院等单位领导的支持下，经国内本领域科学家的共同努力，2001年9月，中国正式成为参与人类脑计画与神经信息学研究的第20个国家，意味着中国在这一研究领域已经和国际接轨。

凭特色加入计画在国家自然科学基金委和科技部的大力支持下，我国脑科学在基础和临床研究方面取得了不少科研成果，在某些领域达到了国际先进水平。解放军301医院、大连理工大学、浙江大学、中科院等单位积极参与并组织关于中华人类脑计画和神经信息学的工作，在近一年中，先后召开了两次“中华人类脑计画和神经信息学”的专家研讨会，专家们就许多关键的问题进行了深入探讨。今年9月，由国内40余位神经、化学、数学、信息等方面的专家会聚香山，召开了题为“人类脑计画与神经信息学”的第168次香山科学会议，专家们认真讨论了国内外脑研究的状况、我们如何应对国际形势等问题，一个关键性的问题已逐渐明朗———凭中国特色加入国际人类脑计画。

在美国人类脑计画的资助下，美国各相关科研机构已初步汇集和建立了各种神经信息资料库和信息处理工具，并正与超级计算机中心、欧洲联盟等联网合作，建立全球神经信息工作平台，该系统有数据质量控制的标準和规定，也有一系列数据检索、分析、整合、建模等工具。目前人类脑计画开展的国际大合作，使用通用资料库，统一格式、统一标準，将脑的结构和功能、微观和巨观的研究结果联繫起来，绘製出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经网路、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以在资料库中进行搜寻、比较、分析和整合，并进行数学模拟和仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电子合作，也可以避免不必要的重複性研究。

中国专家在深入探讨、反覆论证后，大家普遍认为，在浩大的人类脑计画中，中国不可能处处涉足，必须发挥自己的长处，利用我们人类脑资源丰富和计算机信息学研究方面的一定优势，在具有中国特色的传统医学（如针刺等）、汉语认知与特殊感知觉的神经信息学研究等领域深入开展工作。将具有中国特色的人类脑计画和神经信息学研究项目加入全球人类脑计画之中，建立中国独特的神经信息平台、电子网路和信息资料库，才能在合作中不受制于人，更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。

开展中国特色的人类脑计画与神经信息学研究，无疑将大大加深人类对大脑的认识和自身的认识。可以预料，像人类基因组计画一样，在国家的支持下，引进新的科研协作和风险投资运行模式，通过国内本领域的专家齐心协力、联合攻关，以开放的新模式吸纳社会资源，从研究、产业等几个方面同时启动，必将会极大推动人类对自身的认识，造福全人类。

2014年第一期《环球科学》杂誌，邀请科学家经过数轮讨论，评选出了2013年注定会记录史册、对人类社会影响最为深远的十大科技新闻。其中，“大脑计画”启动名列榜首。其入选理由为：人类基因组计画后最宏大的研究项目。理解大脑的运转机制，是人类与科学面临的最伟大的挑战之一。两个巨观“大脑计画”的推出，将极大推动神经科学领域研究技术的创新与发展，因此被誉为人类基因组计画后最宏大的研究项目。“大脑计画”的成果奖有助于人类彻底理解大脑的运行方式，进而阐明意识的发生、思维过程等一系列科学谜题，也为阿尔茨海默病、帕金森病等大脑疾病的治疗奠定坚实基础。