因为山就在那里——人类脑计划的十年

2003年4月14日，“人类基因组计划”（Human Genome Project, HGP）宣告基本完成，迈开了人类解读基因组这本无字天书的重要一步。

这项工作由来自多个国家的科研团队共同合作完成，期间投入了大量的人力物力财力，短短十年顺利攻克了“人类基因组是什么样？”这块硬骨头。如果把科学研究比作一个探秘“未知”的历程，那么在人类基因组计划之后，代表人类野心的“珍妮特号”又将驶向何方？

这一回，科学家们把新的目标指向了——大脑。

大脑大概是生物学领域最迷人的研究对象了。曾有科学家估算，人脑中有接近千亿的神经元数目，更有接近千万亿的突触数量*。我们脑中广阔的神经元宇宙让我们具备语言、意识、思维等高级认知过程；而利用人类自己的智慧去揣度造物主的“设定”无疑是世界上最具有挑战性的科学命题。再者，我们对于大脑的认识也将帮助我们更深入地开发极具前沿性的类脑智能以及诊治一些棘手的神经系统疾病，此举可谓意义深远。（*注：银河系的恒星大约有1-4千亿颗，而宇宙中的恒星约有200万亿颗，因此大脑也被称作三磅小宇宙））

显然，大脑研究的重要性，已成为世界共识。这场关于“破译大脑之谜”的科技竞赛已在全世界各国之间轰轰烈烈展开。十年前，即2013年，美国奥巴马政府和欧盟分别启动“美国脑计划”（BRAIN Initiative）和“欧盟脑计划”（Human Brain Project，HBP）。在这之后，日本和其他国家也相继开启了自己的脑计划项目。在这样的大环境下，孕育多年的“中国脑计划”，也在2021年正式拉开序幕。

属于脑科学的时代来了。

要解决哪些问题？

虽说世界各国脑计划的核心问题相似——准确地弄清楚人脑中数百亿个神经元和数万亿个突触是如何组织成有功能的神经环路，让人得以坠入爱河、写诗吟唱或解决数学问题的，但各国脑计划的侧重存在明显差异。

（一）欧盟：模拟大脑——缸中之脑的狂想

“欧盟脑计划”(Human Brain Project，HBP)和石墨烯项目是2013年欧盟为促进欧洲工业发展所资助的唯二的旗舰项目。“欧盟脑计划”一方面继承了欧盟在神经元启发计算方面的跨学科合作历史，另一方面则继承了“瑞士蓝脑计划”中狂热的“模拟整个大脑，建立统一模型”的志向。

简单来说，“欧盟脑计划”的主要目标是设计并应用六个计算平台。

▷图源：追问编辑部

同时涉及四个子项目：小鼠大脑研究；人脑研究；建立行为认知过程和大脑状态的实验装置、方法和模拟；以及开发从细胞到网络级别的大脑模型，包括详细模型、简化模型和群体模型。

（二）美国：神经技术——欲善其事，先利其器

“美国脑计划”以神经技术开发为主导，全称为The Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies（BRAIN），即“推进创新神经技术的脑研究计划”。该计划的初期目标是加速创新型神经技术的开发和应用，在时间和空间上构建脑细胞和复杂神经环路快速相互作用的动态图像，最终目标是开发和使用工具来获得有关神经系统在健康和疾病状态下是如何发挥作用的生物学认识。

该计划提出了7个优先发展的领域，依次为：

1. 鉴定大脑中细胞的类型，并开发工具来记录、标记和操纵活体大脑中精确定义的神经元；
2. 构建从突触到全脑的神经环路图谱；
3. 开发神经活动监测技术，构建大脑功能的动态图像；
4. 开发精确且动态的调控神经环路活动的神经技术，建立大脑活动与行为的连接；
5. 开发新的理论和数据分析工具用以理解心理过程的生物学基础；
6. 开发新技术来了解人类大脑并治疗脑疾病；
7. 整合新技术和概念方法，以发现神经活动的动态模式如何转化为健康或疾病中的认知、情感、感知和行动。

2022年，“美国脑计划”宣布进入了“BRAIN 2.0”时代。项目目标将进一步聚焦在以下三个方面：建立一个全面的人类脑细胞类型图谱，构建完整的哺乳动物大脑微连接图谱，开发可以精准定位特定脑细胞的工具。

（三）中国：脑疾病——为人群灭除疾苦

“中国脑计划”虽然以基础研究为主体，但并未把应用设置为遥远的目标，而是放在同等重要、目前的目标上。考虑到中国脑科学研究具备的脑功能紊乱患者众多以及大量的灵长类动物的独特优势，大脑疾病的关注是“中国脑计划”的特色。

具体而言，中国脑计划主要围绕“一体两翼”的部署展开。“一体”，就是阐释人类认知的神经机制基础为主体和核心；“两翼”，指脑重大疾病研究及通过人工智能推进类脑研究。总体目标是在未来15年内，在大脑认知科学、大脑疾病诊疗、类脑智能器件三个前沿领域取得国际领先的成果。

各国计划的带头人

（一）马克拉姆和他的科学英雄主义

“欧盟脑计划”的前负责人是亨利·马克拉姆（Henry Markram）。

美国艾伦脑科学研究所所长克里斯托夫·科赫（Christof Koch）曾评价他称，“亨利有两种性格，一个是一位出色、清醒的科学家……另一个是具有公关意识的救世主。”

马克拉姆于1962年出生于南非喀拉哈里沙漠。少年时期在南非求学一段时间后，于1991年，在以色列一流的研究单位魏茨曼研究所获得神经科学博士学位。在此期间，马克拉姆对“大脑是如何工作的”的研究方向产生极大的热情。这种热情也为马克拉姆后来的人生埋下了伏笔。正如科赫所言，马克拉姆是一位出色的科学家。马克拉姆早期的研究主要集中在大脑的化学调节上。在这个领域，马克拉姆有诸多成就，特别是尖锋-时间依赖性可塑性学说（Spike-timing dependent plasticity）的构建——神经连接的强度根据脉冲到达和离开的时间而变化。

另一方面，马克拉姆也是一个野心勃勃的科学家。他认为独立的实验研究无异于盲人摸象，对于大脑的全局性理解还远远不够，神经科学家必须能系统地汇总他们的发现。而借助计算机，可以将所有这些模型（如离子通道的分子结构）明确地编码并使它们协同工作。这将有助于研究人员找出他们知识中的空白和矛盾，并确定需要解决这些问题所需的实验。2005年，马克拉姆创建“瑞士蓝脑项目”，旨在在细胞水平上重建和模拟人类大脑。虽然“蓝脑计划”取得了一定进展，但马克拉姆的最终目标是整合整个大脑的数据。在2009年，命运女神再次降临。马克拉姆关于脑计划的创想，获得了欧盟的资助。这个故事也是“欧盟脑计划”诞生的前传。

（二）发现了“亨廷顿舞蹈症”基因的音乐家

“美国脑计划”主要的带头人是弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）。

1950年，柯林斯出生于美国弗吉尼亚州斯汤顿，并在农场度过了无忧无虑的童年。他在家跟着母亲学习文化知识，闲暇时和父亲一起演奏音乐。1970年获得弗吉尼亚大学学士学位后，他前往耶鲁大学攻读硕士和博士学位。1977年，他又在北卡罗来纳大学教堂山分校获得医学博士学位。柯林斯的学术成就众多。其原创性地发明了“位置克隆”的遗传方法，破译了与一系列重要遗传疾病包括囊肿性纤维化、神经纤维瘤病、亨廷顿舞蹈症、家庭性甲状腺非髓质癌综合征相关的基因。

后来，柯林斯接受邀请，继詹姆斯·沃森（James Watson）*之后，成为美国国家人类基因组研究中心的第二任院长。在此职位上，柯林斯监督了基因组计划中几项目标的成功完成。2013年，美国总统奥巴马又点名任命了当时为国立卫生研究院（NIH）院长的柯林斯再次负责“美国脑计划”的实施。（*注：詹姆斯·沃森曾和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）共同解析DNA双螺旋结构，1962年诺贝尔生理学或医学奖获得者之一。）

除了科学家的身份外，柯林斯还是一名有趣的音乐家，热爱弹吉他，在担任NIH院长期间经常为工作人员、福利会表演。而在NIH的网络平台上，也经常可以看到柯林斯的音乐作品。

（三）从物理学转型的蒲先生

“中国脑计划”由蒲慕明院士主持。

1948年，蒲慕明出生于我国江苏省南京市。1966年，蒲慕明在台湾清华大学物理系就读。虽说是物理学出身，但他一直对生物学有着浓厚兴趣。1968年，他读到詹姆斯·沃森的《双螺旋》，发现生物物理学方法X射线晶体学竟解决了生物学中最重要的问题之一——基因复制的机制。受此启发，蒲慕明选择加入美国约翰霍普金斯大学杰出生物物理学家理查德·科恩（Richard Cone）的实验室，并于1974年获得生物物理系博士学位，其之后又先后在美国伍兹霍尔海洋研究所、美国普渡大学生命科学系从事博士后研究，实现了他从物理学到生物学的转型。

蒲慕明在神经元轴突生长导向、神经元极性建立、突触的形成和可塑性、神经环路的功能和可塑性等方面都有重要发现，极大地推动了我国神经生物学领域的发展。求是科技基金会曾评，“蒲慕明在神经生物学的研究中发明和发展了一系列新理论技术，创造了神经生长中对导向分子的反映，并阐明了神经生长进行方向决策时细胞类的信号传导机制。在过去20年发现了神经营养因子可以调节神经元之间的信号传递，也对神经信号的时间信息存储机制进行了定量的分析。这些工作对理解神经环路的发育机制，大脑如何储存长时间记忆以及如何修复脑神经损伤做出了非常重要的贡献。”

▷图注：各国脑计划主要负责人。从左到右，马克拉姆、柯林斯、蒲慕明。图源：左，wikipedia；中，wikipedia；右，上海科技党建

获得了哪些成果？

（一）欧盟

在“欧盟脑计划”自己的总结中，他们这样描述已经获得的成果：“该项目开创了数字神经科学的先河，即创建了一种基于多学科合作和高性能计算研究大脑的新方法。HBP将通过EBRAINS研究基础设施和该领域的新协作方式，在多年内将继续对神经科学产生影响。”在这10年间，HBP一共出版了3000多种学术论文和160多种数字工具、医疗和技术应用、开放式研究基础设施——EBRAINS——以及一个跨国且跨学科的学术社区。

EBRAINS是一个集成式的数字平台，是HBP的重要成就，集合了HBP目标中的6个基础计算平台。EBRAINS的创设将方便科研人员和临床专家使用HBP提供的统一资源与服务，包括成果、工具、软件、硬件架构、仿真环境等。

此外，HBP还积累了一些重要且有用的科学知识和技术应用。比如绘制出至少200个脑区的详细的解剖-突触连接-功能图谱；绘制完成人类海马体中2.5万个突触的三维地图；开发用于研究癫痫的数字孪生的大脑模型；同时还包括可用于危险作业的仿人机械手，还有非常酷炫的仿人脑计算机SpiNNaker等等。

（二）美国

绘制大脑细胞图谱是了解大脑在健康和疾病状态下如何发挥作用的关键一步。在“美国脑计划细胞普查网络（BICCN）”项目中，最新发表了21篇论文详细介绍了人类大脑和非人灵长类动物大脑中异常复杂的细胞多样性。这些研究确定了人类大脑和非人灵长类动物大脑中细胞组织方式以及基因调节方式的相似性和差异。

在脑连接图谱方面，“美国脑计划”研究团队更是首次绘制了果蝇幼虫大脑中所有神经连接的连接图谱。

而在神经技术方面，“美国脑计划”也有一系列成就。可穿戴式的脑磁图（MEG）脑扫描仪于2018年问世，研究人员可以实时跟踪测试者在进行日常活动时的神经活动——无论是喝茶、敲键盘、与朋友交谈，甚至是打板球。扫描共焦对齐平面激发显微镜（SCAPE）的成像系统可以对活体组织进行三维成像，将用于临床上疾病检测、手术指导和筛选移植器官。

加州大学伯克利分校的卢多维克·贝利尔（Ludovic Bellier）和罗伯特·奈特（Robert Knight）更是使用计算机模型，尝试根据音乐在听众中引起的大脑活动来重建音乐。

（三）中国

截止到目前，中国脑计划已实施两年，还有许多重大项目在研究过程中，比如中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心“全脑介观神经联接图谱”项目，试图绘制斑马鱼、小鼠以及非人灵长类动物的全脑尺度的基因表达与神经元类型，介观结构神经联接图谱和功能神经联接图谱。

2023年7月，国内外多家单位合作，利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq和高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq，绘制了世界首套单细胞分辨率的猕猴大脑皮层细胞空间分布图谱。此项工作轰动一时，中国脑计划初露锋芒。

未来已来

2023年，是欧盟脑计划启动的第十年。今年8月份，nature杂志发布了一篇关于“欧盟脑计划”功过评说的报道，报道承认了欧盟脑计划十年间带给世界的科研成就，譬如上文提到的对至少200个脑区绘制解剖-突触连接-功能图谱，使用超级计算机来模拟意识和记忆的过程等，但也毫不吝啬地总结了欧盟脑计划在实施过程中所犯过的一些错误——研究目标过于宏大、项目资金分配混乱以及项目合作的碎片化等问题。

“美国脑计划”发展势头良好，在2022年，宣布进入了“BRAIN 2.0”的时代。“中国脑计划”则如初生牛犊，蓄势待发。

当下，人工智能的迅猛发展更是助推了人类脑计划进程。通过机器学习和神经网络的研究，科学家们得以更深入地理解人类大脑的工作方式和认知过程。人工智能技术在模仿大脑的功能方面发挥了重要作用，特别是在处理信息、模式识别和学习方面。通过这些技术，科学家能够模拟人类大脑在执行任务时的方式，这为研究认知功能和神经系统疾病提供了新的视角。此外，人工智能也被用于解读和分析神经成像数据，帮助科学家们更好地理解脑部活动和结构。这些技术的应用更是为脑科学研究提供了更深入、更广泛的探索空间，有望加速对大脑奥秘的理解。

当然，也有不少人可能会存有质疑：这些脑计划项目的开展能够多大程度上推动人类智识的进步，倾尽如此巨大的财力物力人力究竟值不值得？就像《冰雪王国》中船长夫人的疑问，“珍妮特号探险到底值不值得——他们经历了那么多艰险、苦闷、牺牲，却只是在人类最终寻找北极圣杯的路途上前进了那么一小步。为了这点儿知识，让那么多人付出了生命，代价是不是太高了?”

也许对于每个这个领域的探索者而言，答案会是“为什么要出发？——因为山就在那里。”

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