透视美国“脑计划”:复杂度超过人类基因组计划

2013-5-06 09:57 来源: 生物360
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  4月,美国白宫公布了“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”)。美国总统奥巴马在2013年初的国情咨文中表示,这项计划将让科学达到一个自从太空竞赛以来从未见过的高度。无独有偶,欧盟委员会也在年初宣布,人脑工程和石墨烯两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”,并为此设立专项研发计划。

  “脑计划”是什么样的?可以与基因组计划相比吗?与欧盟委员会推出的人脑工程的区别是什么?带着这些问题,本报记者近日采访了这项计划的科学家,一探其究竟。

  一、启动后的“脑计划”将是什么样子?

  科维理纳米系统科学家、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院负责人保罗·韦斯在接受记者采访时说,这项计划首先是一种新技术,然后会变为对复杂多维的大脑活动的记录。此后,这项计划将对涉及对此前研究结果的建模。届时,将尝试在前人从未达到的大脑研究层面分析这些数据。

  美国加州理工学院脑成像中心负责人、神经科学教授拉尔夫·阿道夫说,尽管关于这一计划的详细方案尚不明晰,但可以肯定的是,“计划”的核心内容是新技术的发展、应用,这让我们可以记录来自大量大脑细胞的数据。而这些是了解大脑工作机制的基本信息。

  从科维理基金会组织的最初会议开始参与“脑计划”的加州理工学院专家桃瑞丝认为,现在大概谁也不知道这个问题的确切答案,如何开展这项计划,还没有统一的意见。其中,研发新技术和新工具是这项计划的重点。桃瑞丝说,一个趋势是我们都认识到需要研发新的工具。在过去10年内,神经科学研发出了很多新工具。

  二、“脑计划”能与人类基因组计划相媲美吗?

  桃瑞丝说,与人类基因组计划(HGP)相比,“脑计划”的目标目前尚不够清晰。人类大脑拥有1000亿个神经元和100万亿个神经突触,包含着科学界的巨大奥秘,这看起来是项难以完成的任务。

  阿道夫认为,“脑计划”比HGP复杂得多,科学家需要做大量工作以了解如何分析和理解数据。与基因组计划一样,“脑计划”也会涉及伦理问题。

  三、美国“脑计划”与欧盟人脑研究项目有何区别,是否会竞争资源?

  阿道夫说,欧盟的人脑工程与美国的“脑计划”有很大不同,前者提出在巨型计算机上对人脑建模,而建模所需的数据可以来自美国“脑计划”,两者可以互为补充。

  韦斯说,人脑工程提供的是一种对人脑的计算机模拟。而“脑计划”则主要针对于模型生物大脑神经回路的实验性测量。

  四、为什么有人对该计划充满“狂野”的热情,而有人却对它能够完成持怀疑态度?

  阿道夫说,事实上,实施介于两者中间。目前提出记录人类大脑的每个神经元简直就是“幻想”。“如果在我的有生之年能够做到这一点,我将非常震惊,”他说,即使对一只老鼠大脑中的小区域成像也将极具价值,如果这一计划可以让众多科研人员使用并从这个技术中受益,将是件好事。

  韦斯认为,齐心协力的努力将在未来几十年加速大脑科学的研究,如同神经连接组学、大脑计算建模科学一样,“脑计划”同样需要聚集不同领域的科学家和工程师共同合作,让他们在神经科学领域解决关键问题。在这两种态度中,人类基因组计划是一个很好的类比。其结论对生物学和医学有非凡贡献。

  五、目前人类大脑研究领域处于何种阶段?

  阿道夫告诉记者,现在科学家不了解任何一个单个机体的大脑工作机制,就连只有302个神经元的小虫,也没法了解它的神经体系。尽管目前人类对单个神经元有了不少了解,但对于小神经元网络工作机制知之甚少。而在细胞解析层面,对于大脑结构的工作机制基本一无所知。

  韦斯说,目前我们已经可以通过功能磁共振成像(fMRI)等方法在低分辨度情况下记录大脑。依据需测量的内容,我们通常可以同时记录十几个神经元,最多的时候可以记录1200个。

  六、“脑计划”中将会应用哪些方法和技术?

  阿道夫说,这个问题目前还不明确。可能通过光学方法获取多种成像类型的大量数据,但也可能会运用纳米技术的构想。

  韦斯说,这项计划的研发和应用技术尚未确定,可能会包括电子探针技术、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。

  桃瑞丝说,成像技术和电子物理学技术是记录神经元信息的两种途径,两种途径各有优劣。

  “脑计划”高层级工作组联系主席、斯坦福大学神经学教授威廉·纽瑟姆对美国媒体说,由于新的光学成像工具和平行电极阵列等工具以及其他新工具的研发,让我们具备做更多事情的潜能。

  此外,fMRI是一个伟大的工具,这种工具就像是在太空通过卫星观测地球上美国夜晚的灯光,你可以从灯光判断来自哪个城市,以及通过车辆实现的城市之间的联系。这是一个有关规模和分辨率的问题。

  七、除资金外,这项计划还将面临什么挑战?

  桃瑞丝说,我们现在就如同在搭建一座巴别塔,每个人都在做自己的项目,每个人都有自己的实验范式,神经学家太难互相理解。著名神经科学家克里斯托弗·科赫说过,对于神经科学家来说,他们宁愿共用一支牙刷,也不愿用同样的实验范式。与基因组计划或者物理学工程相比,神经科学充满个性,很难共同工作。“就目前情况看,尽管我们的数据库用处不是很大,但如果能够共同努力研发大家都可受益的新工具,或不同实验室共同记录大脑一个区域的神经元信息,那么将成为神经科学未来发展的一个新方向。但我不确定,这能否成为现实。”

  韦斯说,目前的挑战是,人们不知道“何种技术可以带领人们去想去且需要去的地方”。

  阿道夫说,获得大笔研究资金总是件好事,但这笔资金该如何分配和管理以及如何决定将其用于最佳用途是个问题。

  八、目前是否夸大了该计划对人类健康的作用?

  桃瑞丝说:“如果我们说在10年后将可以通过这项计划治愈帕金森氏症、阿尔茨海默氏症等疾病,那么这是过度‘兜售’。但如果说这项计划将对人类健康

  作出贡献,这是毋庸置疑的。”目前人类对于大脑的了解还非常有限,我们只能了解最基本的问题。目前人们谈论关于这项计划能实现何种具体用途还为时尚早,要治愈帕金森氏症、阿尔茨海默氏症等疾病更是遥远的目标。

  韦斯说,我们需要新的技术、方法和途径。这一计划将在未来数十年加速相关领域的发展。对于疾病治疗和健康方面的应用将是巨大的。

  阿道夫认为,就如同人类基因组计划,也许需要很长时间才能够实现具体的目的。但神经科学领域所有巨大而艰难的课题最终将从这项工程中获益。不过,我们需要大量新技术和工具,包括分析和理解所得到的研究数据的方法。

  九、在“脑计划”中的国际合作将如何开展?

  韦斯说,全球合作对于这一项目非常重要。中国在纳米科学研究领域的成就非常突出。“我们希望向全世界开放数据,建立一个向全球开放的数据库。由数学和计算机科学领域的科研人员帮助进行数据管理。就像基因工程一样,我们需要组织、储存和注释数据的方法和途径。事实上,在计划开始阶段,我们已开始在各地研究机构和社群中开展合作。”

  桃瑞丝告诉记者,“脑计划”也有很多中国科学家参与。

  十、我们会在何时得到最终的答案?

  韦斯说:“我们提议的项目计划设计时长为15年。”

  科维理基金会科学项目副主席全美英对美国媒体说,大脑活动图项目启动后,至少需要10年时间。

  桃瑞丝说:“也许我们永远无法获得最终答案,一些专家认为,关于‘意识’永远无法获知。”