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美国“脑计划:与人类基因组计划相媲美
美国“脑计划:与人类基因组计划相媲美
作者:郭 爽 | 2016/5/2 0:59:46 | 浏览:1722 | 评论:0

原标题:美国政府“推进创新神经技术脑研究计划”三年进展情况

美国“脑计划:与人类基因组计划相媲美

    美国政府2013年提出“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”),目标包括探索人类大脑工作机制、开发大脑不治之症的疗法等。

这一计划之宏大,被认为可与人类基因组计划相媲美。历经3年,目前“脑计划”实施现状如何,面临哪些挑战,有何解决办法?

高调起步

3年前,美国总统奥巴马雄心勃勃地公布这一宏伟计划,称要“通过10年努力绘制出完整的人脑活动图”,并认为这将不仅具有科研和医学意义,还将产生巨大的经济社会影响,具有改善全球数十亿人生活的潜力。

白宫不仅对这项计划寄予厚望,也给予了巨大支持。在美国联邦政府2017财政年度预算中,“脑计划”的预算增至4.34亿美元,与2016财年相比增幅近45%,更是2014财年的4倍多。

除了政府拨款,美国各界也在为这项计划提供支持。美国著名商界人士桑迪·韦尔和夫人26日刚刚宣布,为“脑计划”捐出1.85亿美元,希望能推动神经科学发展。这是脑科学领域史上最大的一笔捐款。

“脑计划”咨询委员会联合主管、美国神经生物学家科尼利亚·巴格曼曾对媒体说,最初获得资金时,科学家并不知道如何推进“脑计划”研究,后来达成了一个基本共识:第一步是技术创新和推动技术发展,只有这样才能推动神经科学向前发展;第二步是将这些新技术应用于探索大脑功能的工作机制。

过去3年,“脑计划”研究在多个领域取得进展。比如去年4月,科学家找到了一种通过控制实验室动物大脑神经回路、较准确操控其行为的方式,被美国媒体称为该计划启动以来第一个重要成就。

齐头并进

美国“脑计划”的具体事务由多个机构负责,这些机构侧重点各有不同。从涉及该项目的2017财年预算中,“脑计划”几大研发方向或许可窥一斑。

作为“脑计划”研究的主要机构,美国国家卫生研究院将获得该计划预算的最大部分,总共1.95亿美元资金,支持其“脑计划2025”项目。国家卫生研究院还计划通过“脑计划公私合作伙伴项目”,将学术研究者与新技术工具制造商对接起来。

美国国家卫生研究院公布的研究方向,包括开发分析大脑细胞和神经回路的研究工具,开发新一代人类大脑成像技术,大规模记录大脑活动和调节控制大脑功能,研究神经回路功能、开发新一代人脑侵入性装置,开设多项神经科学短期课程等。

美国能源部将首次获得900万美元经费支持,重点发展新型生物传感器和监测设备以监测关键分子在大脑中的工作过程。

另外,美国国防部高级研究项目局将获得1.18亿美元资金,重点内容包括研发能够读写单个神经元功能的硬件原型等。美国国家科学基金会将获得7400万美元,用于设立“国家大脑观测站”,协调大规模国际脑研究项目,平衡在神经技术领域的多方投资。美国情报高级研究计划署则将继续研究应用神经科学。

前路多艰

初步研究成果、研究团队和资金的到位,都只是万里长征第一步。从科研难度本身,到合作模式、伦理问题等等,摆在这项宏伟计划面前的现实困难还有很多。

首先,科学界此前对大脑工作机制的认知几乎是空白,技术难度不言而喻。科学家承认,一个多世纪以来对大脑的探索才刚刚触及这个巨大科学挑战的表层。比如,动物研究的当前最高水平是可同时从约1000个神经元中取样,但人脑有850亿到1000亿个神经元,破解它们共同包含的巨大奥秘,看起来像“不可能完成的任务”。

伦理方面也有不少担忧。“脑计划”中的一些技术设想如果实现,便有可能用于操纵神经元,这不仅让人担心会产生“读心术”,还对大脑是否会被控制感到忧虑。奥巴马曾指示相关委员会加强生命伦理问题的研究,以探索解答伴随“脑计划”科研发展而引发的相关伦理、法律和社会意识等方面的问题。

另外,如何开展合作也是个大问题。参与“脑计划”的加州理工学院专家多丽丝对记者说,与基因组计划或者物理学工程相比,神经学研究方式充满个性,这是“脑计划”参与者共同工作时面临的一大挑战。

技术突围

尽管困难重重,科学家依然能够看到与脑科学相关的技术取得突破的希望。就研究工具来说,科学家设想,综合运用多种新技术,去探测记录人脑活动,并由此带动一批新技术进步。

美国国家卫生研究院专家埃德蒙·塔利认为,光电等科学领域中研发的设备,在“脑计划”研究中前景广阔。加州理工学院脑成像中心负责人、神经科学教授拉尔夫·阿道夫也指出,将来可能通过光学方法获取多种成像类型的大量数据,为脑研究提供支持。

加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院负责人保罗·韦斯则认为,电子探针技术、光学探针技术、光遗传学、功能化纳米粒子技术、合成生物学技术等,都可能用于脑科学研究。

此外,公私合作的方式是“脑计划”的一大特点。除了政府研发机构,包括数家光电企业、脑成像技术公司等在内的各类相关领域企业,包括一些初创公司,也都是“脑计划”研发的合作方。这种方式有助于为研究提供持续的活力。

 

美国“脑计划:与人类基因组计划相媲美

 

脑科学“大国之争”:揭秘人体最后谜团

   进入新世纪以来,各大国在科研领域多头比拼:上天、入海、互联、虚拟……而最近几年,一个新的科技“高边疆”又进入人们的视野:我们身上的最后谜团——大脑的奥秘。

  专家们认为,各大国竞相投入脑科学研究意义深远。这不仅关乎人类的健康和福祉,也关乎未来的生产力,有望深刻改变社会。

认知“黑洞”

“三磅的宇宙”谜团重重

  为什么是大脑?“我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少”。20多年前,DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克就如此抱怨。

  然而时至今日,大脑仍然是人类认知的“黑洞”。

  美国总统奥巴马对此说:“作为人类,我们能够确认数光年外的星系,我们能研究比原子还小的粒子,但我们仍无法揭示两耳间三磅重的物质(指大脑)的奥秘。” 

  “两耳间三磅重的物质”也被戏称为“三磅的宇宙”,难以琢磨又令人神往。中科院外籍院士蒲慕明接受记者采访时说,人类大脑有1000亿个神经细胞,彼此之间由大量的神经纤维连接成极为复杂的神经网络。目前脑科学最有待突破的就是理解人脑高级认知功能的神经网路基础。

  “我们对大脑的了解还仅是沧海一粟”,英国帝国理工大学外科手术机器人研究员刘芳德认为,大国掀起的“脑科学热”很可能成为另一个“人类基因组计划”。

  蒲慕明也表示,脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的“最终疆域”,是本世纪最重要的前沿科学之一。科学界甚至认为,把研究人脑的神经科学称为“人类科学最后的前沿”也毫不为过。

吹响号角

2013年欧盟率先宣布“人脑工程”

  对于脑科学领域,2013年无疑是个重要年份。这一年年初,欧盟率先宣布,“人脑工程”为欧盟未来10年的“新兴旗舰技术项目”,获得10亿欧元科研经费。当年4月,美国政府公布“脑计划”,启动资金逾1亿美元,后经调整,在未来12年间预计总共将投入45亿美元。

  日本对脑科学研究也兴趣浓厚。紧随欧美,日本2014年正式发起“大脑研究计划”,由理化学研究所主导,试图从狨猴大脑入手,来加快人类大脑研究。

  中国也在积极酝酿后迅速入场。“脑科学与类脑研究”被“十三五”规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一,“中国脑计划”即将上线。

  “脑科学研究,在时间上太重要了!”复旦大学脑科学研究院院长马兰在接受媒体采访时说,目前脑科学发展正处于一个重要的跨越式发展时期。奥巴马在宣布“脑计划”时曾直言,“现在是太空竞赛以来,美国的研发水平达到新高度的时候了”。

  脑科学领域,大国正纷纷起跑。这是一个烧钱的战场,但不下“血本”,就无法占领新的科研高地。

一体两翼

治疗人脑疾病最“接地气”

  脑科学研究的本质,可以用“一体两翼”来概括。一体,即以研究脑认知的神经原理为主体;两翼,即研发人脑重大疾病诊治的新手段和以人工智能为导向的类脑研究。

  正如诺贝尔生理学或医学奖得主杰拉德·埃德尔曼所言:“脑科学的知识将奠定即将到来的新时代之基础。凭这些知识我们可医治大量疾病,建造模仿脑功能的新机器,而且更深入地理解我们自己的本质以及我们如何认识世界。”

  两翼中,治疗人脑疾病是“接地气”的一翼,也是人类最急迫的需求。帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症……未来,我们能否厘清这些脑疾病的机理?是否能治愈或者至少延缓脑疾病的发生发展?

  日本正进入老龄化社会,帕金森病等老人常见病日渐高发,困扰社会。主导脑科学研究的理化学研究所脑科学综合研究中心主任利根川进就表示,他们有责任去揭开帕金森病等大脑疾病的根本原因、找到有效的治疗或预防方法。

  欧洲也面临同样的困扰。据预测,未来欧洲约三分之一的人口会患上与脑有关的疾病,这几乎影响所有的欧洲家庭。脑科学基础研究无疑会造福社会,改善人类健康水平和老年生活质量。

  而另一翼——人工智能,更令人遐想无限。“阿尔法围棋”战胜李世石引来世人瞩目,可是要知道,它仅仅是一个单一任务的运算程序,与人脑的能力还有极大差距,如果真正模拟人脑又会怎样?

  当然,人工智能(AI)的目标并不是复制人类大脑,而是在各种细分领域里提供智能服务,比如智能驾驶、手术机器人等。未来学家凯文·凯利预言,未来20年,全球最重要的技术就是人工智能,人工智能产品将成为水和电一样的日用品。

  “把人工智能列入‘十三五’是很正确的决策,过了这个时间点可能就来不及了。”科大讯飞总裁刘庆峰曾表示,人工智能是全球下一轮产业革命的引爆点和“必争之地”。

  美国硅谷已经抢得先机。从谷歌、脸书、微软等巨头到初创公司,它们都爱人工智能。谷歌内部有上百个团队在研究机器学习技术。脸书近两年来在硅谷、纽约和巴黎连设3家人工智能实验室……这些科技公司的掌门人相信,人工智能技术可能改变世界。

  可以预期的是,脑科学的新发现,将使人工智能发展获得新的“助推器”。

  (张忠霞、彭茜、华义、马丹、张家伟、张淼) 

链接 美国“脑计划”这三年

  美国政府2013年提出“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”),目标包括探索人类大脑工作机制、开发大脑不治之症的疗法等。历经3年,“脑计划”实施现状如何?

  过去3年,“脑计划”研究在多个领域取得进展。比如去年4月,科学家找到了一种通过控制实验室动物大脑神经回路、较准确操控其行为的方式,被美国媒体称为该计划启动以来第一个重要成就。

  美国“脑计划”的具体事务由多个机构负责,这些机构侧重点各有不同。白宫对这项计划给予了巨大支持。在美国联邦政府2017财政年度预算中,“脑计划”的预算增至4.34亿美元,与2016财年相比增幅近45%,更是2014财年的4倍多。从涉及该项目的2017财年预算中,“脑计划”几大研发方向或许可窥一斑。

  作为“脑计划”研究的主要机构,美国国家卫生研究院将获得该计划预算的最大部分,总共1.95亿美元资金,支持其“脑计划2025”项目。国家卫生研究院还计划通过“脑计划公私合作伙伴项目”,将学术研究者与新技术工具制造商对接起来。

  美国国家卫生研究院公布的研究方向,包括开发分析大脑细胞和神经回路的研究工具,开发新一代人类大脑成像技术,大规模记录大脑活动和调节控制大脑功能,研究神经回路功能、开发新一代人脑侵入性装置,开设多项神经科学短期课程等。

  美国能源部将首次获得900万美元经费支持,重点发展新型生物传感器和监测设备以监测关键分子在大脑中的工作过程。

  另外,美国国防部高级研究项目局将获得1.18亿美元资金,重点内容包括研发能够读写单个神经元功能的硬件原型等。美国国家科学基金会将获得7400万美元,用于设立“国家大脑观测站”,协调大规模国际脑研究项目,平衡在神经技术领域的多方投资。美国情报高级研究计划署则将继续研究应用神经科学。

  初步研究成果、研究团队和资金的到位,都只是万里长征第一步。从科研难度本身,到合作模式、伦理问题等等,摆在这项宏伟计划面前的现实困难还有很多。

  首先,科学界此前对大脑工作机制的认知几乎是空白,技术难度不言而喻。科学家承认,一个多世纪以来对大脑的探索才刚刚触及这个巨大科学挑战的表层。比如,动物研究的当前最高水平是可同时从约1000个神经元中取样,但人脑有850亿到1000亿个神经元。破解它们共同包含的巨大奥秘,看起来像“不可能完成的任务”。

  伦理方面也有不少担忧。“脑计划”中的一些技术设想如果实现,便有可能用于操纵神经元,这不仅让人担心会产生“读心术”,还对大脑是否会被控制感到忧虑。奥巴马曾指示相关委员会加强生命伦理问题的研究,以探索解答因“脑计划”科研发展而引发的相关伦理、法律和社会意识等方面的问题。

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