全世界砸了上百億給它，到底圖什么？

再過幾天，歷時十年、暢想著重構(gòu)人類大腦遠(yuǎn)大夢想的歐洲“人類大腦計(jì)劃”（Human Brain Project，HBP）即將落下帷幕。

這十年里，歐盟為這個計(jì)劃資助了6億歐元。

歐洲“腦計(jì)劃”官網(wǎng)，宏大的目標(biāo)已經(jīng)變?yōu)榭茖W(xué)設(shè)施與平臺的搭建

類似的，與歐盟“腦計(jì)劃”一同在2013年開始的，還有美國的“創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)大腦研究”計(jì)劃（brain research through advancing innovative neurotechnologies，BRAIN），他們的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他國家，截至2022年已投入至少24億美元，預(yù)計(jì)到2027年將投入66億美元；

美國“腦計(jì)劃”官網(wǎng)，口號是“拓寬對大腦的理解”

不僅如此，日本2014年開始的“綜合神經(jīng)技術(shù)用于疾病研究的腦圖譜”計(jì)劃（brain mapping by integrated neurotechnologies for disease studies，BRAIN/MINDS）投入3.65億美元，嘗試解析狨猴的大腦結(jié)構(gòu)。

日本“腦計(jì)劃”官網(wǎng)，通過狨猴神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)了解人類大腦與相關(guān)疾病

陸陸續(xù)續(xù)的，韓國、澳大利亞、加拿大也紛紛推出了自家的“腦計(jì)劃”，資助的金額也絕對不比其他國家少。

2021年，中國科技部發(fā)布《科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目2021年度項(xiàng)目申報指南》，預(yù)示著中國“腦計(jì)劃”的啟動，首批撥款預(yù)算高達(dá)32億元，整體規(guī)劃預(yù)計(jì)在百億到千億的級別。

中國“腦計(jì)劃”的整體布局 | 圖源：陸林等，2022.

為什么研究腦子要砸這么多錢？各個國家研究都是圖什么？而這些研究做出了什么成果呢？我們不妨借著歐洲“腦計(jì)劃”的落幕，展開聊聊我們最可能關(guān)心的“腦計(jì)劃”問題。

（以下為便于理解，均與xx國“腦計(jì)劃”指代各國的“腦計(jì)劃”）

“腦計(jì)劃”研究些什么——科學(xué)到疾病，再到智能

不同國家一個又一個的“腦計(jì)劃”推出，投入的經(jīng)費(fèi)也一個比一個夸張。難道這會成為一種“軍備競賽”式的比拼嗎——誰花的錢更多，砸出更豐富的研究成果，就會是勝利？

如果單看經(jīng)費(fèi)和科研成果，那可能就是美國的大勝利了 | 圖源：Nature雜志

我們不能排除這其中的可能性，但是如果縱觀不同國家的腦計(jì)劃，就會發(fā)現(xiàn)大家其實(shí)會有不同的側(cè)重點(diǎn)：

• ? 美國“腦計(jì)劃”側(cè)重于技術(shù)的快速發(fā)展，比如當(dāng)下神經(jīng)科學(xué)最需要的單細(xì)胞、成像、示蹤等等技術(shù)，再以技術(shù)發(fā)展推動科學(xué)問題解決；

• ? 歐洲“腦計(jì)劃”側(cè)重于圖譜的構(gòu)建、大腦的模擬和大數(shù)據(jù)的匯總，希望以此解決復(fù)雜的腦科學(xué)問題，比如認(rèn)知、神經(jīng)模型、人腦原理；

• ? 日本“腦計(jì)劃”幾乎以狨猴的腦結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)、神經(jīng)連接為導(dǎo)向，希望以此基礎(chǔ)來解決科學(xué)與疾病的問題；

• ? 中國“腦計(jì)劃”（如上文圖）則優(yōu)先用有限的經(jīng)費(fèi)和現(xiàn)有的獼猴資源，解決最關(guān)鍵、迫切的科學(xué)問題——疾病和類腦智能；

• ? ……

至于大家的選擇、方向誰對誰錯，現(xiàn)在顯然沒有定論，各個國家的腦計(jì)劃之間也有溝通交流，避免出現(xiàn)太多的重復(fù)性工作（但顯然重復(fù)性工作不可避免）。但是，其實(shí)可以看到幾乎全部“腦計(jì)劃”希望解決的問題，可以歸納為三個：從科學(xué)、到疾病，再到智能。

這三個大問題，哪個都不好解決。

科學(xué)：從大科學(xué)再聚焦到小問題

神經(jīng)科學(xué)其實(shí)是一個很廣闊的概念，不同的神經(jīng)科學(xué)研究者也會有“隔行如隔山”的感覺——不同的感覺、不同的行為、不同的神經(jīng)環(huán)路、不同的神經(jīng)發(fā)育。不同的研究者會提出各式各樣不同的問題，而腦計(jì)劃想要解決這些多樣的問題，就會形成一個趨勢——大科學(xué)為導(dǎo)向。

從大腦中全部細(xì)胞的類型、功能，到每個細(xì)胞里的基因表達(dá)，再到不同神經(jīng)元之間的連接，各個國家的腦計(jì)劃都是通過所謂基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、表觀組學(xué)、連接組學(xué)這些“組學(xué)”的方法，從整體出發(fā)解析，之后再計(jì)劃以此為踏板，挖掘具體的問題。

比如美國“腦計(jì)劃”數(shù)年來發(fā)表的小鼠、人類、獼猴腦圖譜；

比如歐洲“腦計(jì)劃”執(zhí)著的人類大腦多層次數(shù)據(jù)；

比如日本“腦計(jì)劃”對狨猴的全方面解析；

比如中國“腦計(jì)劃”剛剛發(fā)表的獼猴全腦細(xì)胞圖譜。

這些研究工作大而廣，目的不是解決科學(xué)問題，而是為各自“腦計(jì)劃”的發(fā)展打個基石，之后大家才能在這個基礎(chǔ)上，繼續(xù)用不同的技術(shù)去研究發(fā)展其他科學(xué)問題。

但是這個大科學(xué)的基石，不那么好打。時至今日，可能也沒人敢說自己的研究成果能解析清楚大腦里每一個細(xì)胞，每一段連接是什么樣的。

疾病：如何讓大家不僅活得長，還活得好

而在眾多科學(xué)問題中，最與我們息息相關(guān)的，就是健康與疾病。

我們知道癌癥、心血管疾病、糖尿病等等是危及老年健康最可怕的幾種疾病，但是不少精神疾病卻直接影響了我們的意識與認(rèn)知，大部分都與大腦有關(guān)。

比如經(jīng)常在老年人中出現(xiàn)的阿爾茲海默癥，過去常用的一個含貶義的名稱是“老年癡呆癥”，其實(shí)也是一個在神經(jīng)科學(xué)上目前無解的疾病，也是目前各國腦計(jì)劃中最關(guān)注的疾病之一。

比如如今巨大的社會壓力下，不少人出現(xiàn)抑郁癥、焦慮癥、精神分裂癥，其實(shí)往往也和某些神經(jīng)回路有著直接的關(guān)系。

比如很多孩子剛來到這個世界，無法與身邊的同齡人交流，患有自閉癥，其實(shí)就是一種典型的神經(jīng)遺傳疾病，現(xiàn)有的研究正在從基因組與基因表達(dá)的層面進(jìn)一步挖掘關(guān)鍵的致病機(jī)制

日本與中國“腦計(jì)劃”將通過基因編輯手段構(gòu)建精神疾病相關(guān)的狨猴/獼猴疾病模型 | 圖源：Nature雜志

此外還有各類罕見病、遺傳病，比如智力障礙、各類癲癇相關(guān)疾病、小頭癥等等，都與大腦息息相關(guān)。但也正是因?yàn)榕c大腦息息相關(guān)，如果我們不能對大腦有更深入的認(rèn)識與了解，就無法解答這些疾病的原因，這些精神疾病也大多是暫時無法徹底根治的疾病。

智能：人類大腦的智能是否有盡頭

另一個終極命題，則和最近大火的人工智能息息相關(guān)——可惜人工智能的出現(xiàn)并不是來自腦科學(xué)的創(chuàng)新。

最初歐洲“腦計(jì)劃”的前身，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理學(xué)院創(chuàng)立的“藍(lán)腦計(jì)劃”，其主要目標(biāo)就是利用計(jì)算機(jī)模擬一個數(shù)字版的哺乳動物（比如小鼠）大腦。雖然他們模擬了上千萬個細(xì)胞的連接，也發(fā)現(xiàn)其中出現(xiàn)了一定的信號，但是其意義如何，眾說紛紜。

導(dǎo)演Noah Hutton的紀(jì)錄片《In Silico》揭示了藍(lán)腦計(jì)劃和歐洲腦計(jì)劃幕后一些矛盾，也是真實(shí)存在于各個大科學(xué)項(xiàng)目中的問題 | 圖源：Sandbox Films

而在中國“腦計(jì)劃”也希望借助對神經(jīng)的豐富連接和不同腦區(qū)功能的劃分作為切入點(diǎn)，嘗試在人工智能和機(jī)器人設(shè)計(jì)上進(jìn)行更好的優(yōu)化，至于結(jié)果如何，我們還要拭目以待。

事實(shí)上，人類的智慧來源于自然選擇的進(jìn)化過程，換句話說，它是從一個原始大腦反復(fù)迭代產(chǎn)生的結(jié)果，那就意味著其中除了精妙的結(jié)構(gòu)之外，肯定也存在缺陷（比如我們現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如人工智能的一些能力），也肯定存在不少冗余的結(jié)構(gòu)。

因此從大腦本身出發(fā)，真的會是更好的人工智能未來嗎？這個爭論可能短時間不會有回答。

這些宏大目標(biāo)什么時候可以實(shí)現(xiàn)——想法很美好，現(xiàn)實(shí)很艱難

科學(xué)問題，疾病機(jī)制，人工智能，這些問題當(dāng)然很重要，但是也很宏大難以解決——其實(shí)概念早在幾十年前都已經(jīng)提出，但是一直沒有進(jìn)展。

這也是為什么需要設(shè)立上百億的“腦計(jì)劃”來嘗試解決這些難題。但真的就能順利解決嗎？

有限的經(jīng)費(fèi)，無限的問題

在剛剛提到的三個問題的基礎(chǔ)上，其實(shí)從中可以衍生出無數(shù)的科學(xué)問題，而每個科學(xué)問題的提出者都會堅(jiān)持自己所關(guān)注的問題是最重要的——那如何分配有限的資金到急需優(yōu)先解決的科學(xué)問題上，就變得格外重要了。

在這個問題上，美國“腦計(jì)劃”選擇了用大量的經(jīng)費(fèi)優(yōu)先提升技術(shù)水平，再用技術(shù)反哺問題的解決；中國與日本則是關(guān)注到各自所擁有的動物資源，努力從獼猴和狨猴上來解決復(fù)雜的神經(jīng)問題……

歐洲“腦計(jì)劃”，則是那個做出“反面教材”的案例。

大科學(xué)的團(tuán)隊(duì)管理困難重重

歐洲腦計(jì)劃在2013年提出后，迅速讓當(dāng)時正在領(lǐng)導(dǎo)“藍(lán)腦計(jì)劃”的亨利·馬克拉姆（Henry Markram）來主持。但是很快問題就出現(xiàn)了。

亨利·馬克拉姆（Henry Markram）| 圖源：Wikipedia

僅僅在項(xiàng)目啟動九個月后，腦計(jì)劃中成員就聯(lián)名給提供資金支持的歐盟委員會寫了一封公開信，呼吁應(yīng)該重新考慮歐洲“腦計(jì)劃”的實(shí)施問題。

問題出在了哪？主要原因就在于馬克拉姆覺得自己研究的問題最為重要。歐洲“腦計(jì)劃”最初是由兩個大的領(lǐng)域結(jié)合而成——一個是神經(jīng)科學(xué)啟發(fā)計(jì)算開發(fā)的跨學(xué)科領(lǐng)域，另一個則是馬克拉姆領(lǐng)導(dǎo)的“藍(lán)腦計(jì)劃”的模擬計(jì)算領(lǐng)域

但是馬克拉姆不僅把大量的“腦計(jì)劃”經(jīng)費(fèi)用在了模擬大腦計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲上，甚至要把和認(rèn)知神經(jīng)相關(guān)的18個實(shí)驗(yàn)室的研究全部砍掉，這就引起了大批研究者的不滿，不少反對者也認(rèn)為在不知道大腦連接方式的情況下就模擬大腦，沒有意義。

2015年，在歐盟委員會的審查下，馬克拉姆的三人執(zhí)行委員解散，取而代之的是由22人組成的新的執(zhí)行委員會。而這也是最終今年歐洲“腦計(jì)劃”結(jié)束后，整個項(xiàng)目的成果看起來也有些“支離破碎”的主要原因之一。

除此之外，中國“腦計(jì)劃”也面臨著同樣的問題——現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)確實(shí)是我們最關(guān)注的問題嗎？花費(fèi)大量精力去解析獼猴的腦圖譜和神經(jīng)連接圖譜，是真正關(guān)鍵的問題嗎？在開始之初，這些爭論在各個國內(nèi)神經(jīng)領(lǐng)域?qū)＜议g想必也有發(fā)生，但是情況如何，未來又如何，我們只能報以期待了。

技術(shù)發(fā)展何時可以解決問題？

而除了科學(xué)家間的協(xié)調(diào)，另一個更根本的問題在于技術(shù)是否成熟。以各國“腦計(jì)劃”最關(guān)心的連接組學(xué)為例，解析了神經(jīng)元的連接，就能破解大腦功能的各種關(guān)鍵問題，但是事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒那么順利。

最早的方法是利用核磁共振成像（MRI）技術(shù)來檢驗(yàn)大腦中的結(jié)構(gòu)，但這類成像的精度有限，也難以復(fù)現(xiàn)大腦連接的信息。

部分歐洲科學(xué)家的思路，是利用電子顯微鏡成像的方式解析，但這就帶來了海量的數(shù)據(jù)計(jì)算問題——1立方厘米的空間的電子顯微鏡圖像，計(jì)算起來可能需要數(shù)百年的時間。而人類大腦，大約由1500立方厘米左右。

目前利用電子顯微鏡重構(gòu)的唯一一個動物成年大腦——果蠅的大腦 | 圖源：Dorkenwald S, et al. 2023

中國科學(xué)家提出的解決思路是利用高分辨率的熒光示蹤成像技術(shù)fMOST，以達(dá)到1微米分辨率的成像精度——但是因?yàn)闊晒馐聚櫮軜?biāo)記的神經(jīng)元有限，這就意味著要標(biāo)記全腦數(shù)以億計(jì)的神經(jīng)元，就需要巨量的實(shí)驗(yàn)動物和海量的成本。

fMOST成像原理圖

除此之外，背后的技術(shù)穩(wěn)定、海量數(shù)據(jù)的存儲、分析等等問題都在等待著科學(xué)家們解決，這也是各國“腦計(jì)劃”正在努力突破的問題之一。

不同于過去的阿波羅計(jì)劃或者曼哈頓計(jì)劃，登月成功或者原子彈爆炸，就能說明計(jì)劃的成功，腦計(jì)劃展示出來的恰恰是生命科學(xué)的特征——高度復(fù)雜的系統(tǒng)、極度依賴于新技術(shù)以及多樣且無止盡的科學(xué)問題。

簡單總結(jié)，想要解決腦科學(xué)的關(guān)鍵問題，道還遠(yuǎn)著。

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