国内外脑计划路线规划设计、进展揭秘

  《2017十三五新材料技术发展报告》

  脑科学,从狭义上来讲就是神经科学,是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程,以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究;从广义上讲是研究脑的结构与功能的科学,包括认知神经科学等等。脑科学是二十一世纪最富有挑战性的重大科学问题之一,是引领未来新的经济增长点及科技革命的前沿技术。脑科学技术的发展对人类的健康、新一代人工智能技术及新型信息产业的发展等具有非常重要的意义,是国际科技竞争的重要战略领域。但是,脑科学研究涉及的领域非常广泛,而且单单是神经系统层面上对大脑的认知都还存在着大量的问题。因此,世界各国与国际组织普遍重视脑科学研究,纷纷制定相应的脑研究计划,并积极开展跨学科、跨领域间的国际交流与合作,抢占新一轮科技革命发展的制高点。

  国外脑科学计划路线情况

  美国脑计划

  1.美国“BRAIN计划”路线规划设计

  2013年4月,美国宣布启动“推进创新神经技术脑研究(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN)计划”,简称“BRAIN计划”,其目的是描绘出大脑活动的动态图像,对大脑功能和行为之间的联系进行研究,并了解大脑对信息记录、处理、应用、存储和检索的过程,改变人类对大脑的认识;进而找到治疗、治愈脑部疾病的新方法。该计划为期10年,前5年主要侧重于技术开发,而后5年主要关注于技术的整合。

  2014年6月,美国脑计划发布了如何实施的综合性文件《BRAIN 2025:科学愿景》,其主要任务为发现多样性、多种层面的图谱、大脑活动、证实因果关系、确定基本原理、推动人类神经科学的发展、从“BRAIN计划”到大脑。

  2.美国“BRAIN计划”参与机构与研究领域

  美国“BRAIN计划”涉及的合作伙伴非常广泛,主要有联邦机构与非联邦机构两类。联邦机构包括美国国立卫生研究院、国家科学基金会(NSF)、国防高级研究计划局(DARPA)、美国食品和药物管理局(FDA)、情报高级研究计划署(Intelligence Advanced Research Projects Activity, IARPA);非联邦机构涉及基金会、科研院所和产业界,共包括大脑与行为研究基金会、艾伦脑科学研究所、波士顿大学、西北太平洋神经科学区域联盟、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、黑石集团等在内的25家机构参加。

  美国脑计划启动之初在9个领域展开研究:普查并统计脑细胞类型;创建脑结构图谱;开发大规模神经网络记录技术;开发操作神经环路的工具;将神经细胞与个体行为之间建立起相对应的联系;将神经科学实验与理论、模型、统计学相整合;描述人类大脑成像技术的机制;创建机制以支持收集人类数据;知识传播与培训。

  而在最新的报道中,2017年美国脑计划重点关注三个领域的研究,分别为通过基因表达、形态和连通性对脑细胞进行分类;开发人脑成像技术;用最新的生理和解剖技术来确定特定神经环路对行为的影响。

  3.美国“BRAIN计划”研究进展

  2017年10月,美国国立卫生研究院针对“BRAIN计划”宣布了多项支持政策。

  首先,美国国立卫生研究院宣布第四轮资金奖励政策为“BRAIN计划”提供1.69亿美元的资金支持,对此前取得重大进展的脑部细胞功能及分类的详细普查研究、开发及改进人脑成像技术及脑活动全图绘制共三大领域继续进行研发投入。其次,美国国立卫生研究院启动“BRAIN计划”细胞普查网络(BRAIN Initiative Cell Census Network, BICCN)工作。最后,美国国立卫生研究院对“BRAIN计划”研究中可能产生的伦理问题研究进行资助。

  此外,在2018年2月26日的国会技术报告会上,公布了“BRAIN计划”的最新进展。在报告中,强调了动物研究对于脑计划的重要性,这些都是为了实现对人脑全面认知必须经历的过程。

  欧盟脑计划

  1.欧盟“人脑计划(HBP)”路线规划设计

  欧盟“人脑计划”(Human Brain Project,HPB)是由“蓝脑计划”(Blue Brain Project)发展而来。“人脑计划”将持续10年,欧盟委员会和参与国将提供近12亿欧元的经费支持,最初该计划分为3个阶段,最初2.5年为快速启动阶段,接下来4.5年为计划的运作阶段,最后3年为稳定阶段。

  2.欧盟“人脑计划”研究领域

  欧盟“人脑计划”的重点研究领域主要有四方面:

  第一,人脑计划的核心是采集必要的战略数据来绘制人脑图谱并实现人脑模型的建立;

  第二,搭建全新的医学信息学平台汇集全世界的临床数据,通过模型的建立使医学研究人员得以提取更有价值的信息,促进新的治疗手段和药物的开发;

  第三,通过对脑的构筑和环路的研究,用于开发新型计算系统和机器人;

  第四,人脑计划还有一个“伦理和社会项目”,研究实现该项目的过程中所可能带来的伦理和社会问题。

  根据这四个研究领域,“人脑计划”下设了12个子项目,分别为小鼠脑组织项目、人类脑组织项目、系统和认知神经科学项目、理论神经科学项目、神经信息学平台项目、大脑仿真平台项目、高性能分析和计算的平台项目、医疗信息平台项目、神经拟态计算平台项目、神经机器人平台项目、服务中心项目、伦理和社会项目。

  3.欧盟“人脑计划”研究进展

  欧盟“人脑计划”快速启动阶段顺利完成,并正式进入运作阶段。在快速启动阶段,“人脑计划”完成了6个信息平台的搭建工作,这6个平台包括:神经信息学平台;大脑仿真平台;高性能计算平台;医学信息平台;神经拟态计算平台;神经机器人平台。2017年10月24日欧盟“人脑计划”将上述六大平台集成入一个新平台——HBP联合平台(HBP-JP),方便科研用户和临床用户使用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。

  目前,“人脑计划”正处在“SGA1”(Specific Grant Agreement One)阶段,其在多项任务中取得了新的进展。在人脑组织项目中开发了全球最大的核磁共振磁体用于获取大脑高分辨率图像以及对获取的数据进行规范化;小鼠脑结构的研究促进了神经网络模型的建立,与人脑结构的对比则有助于了解复杂神经网络对动态信息处理的原理;在拟态神经计算领域,首次在硬件上获得了活动的非线性神经突触;理论神经科学领域,成立了欧洲理论神经科学研究所,探索了大脑中特定的功能与神经连接的联系,发现了大脑皮层中新的特定类型的网络拓扑结构。

  日本脑计划

  1.日本Brain/MINDS计划简介

  日本在2014年6月启动了其国家脑计划Brain/MINDS(Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies)。该计划将在10年内受到日本文部科学省以及日本医疗研究开发机构总计400亿日元(约合3.7亿美元)的资助。日本脑研究计划第一年将投入30亿日元(约2700万美元),以后逐年增加。日本的大脑研究计划使用狨猴为动物模型,这可以弥补啮齿类动物研究所带来的缺陷,尤其是在疾病研究领域。狨猴的行为和人类非常接近,是研究帕金森和阿兹海默症等人类疾病最理想的模型。通过研究狨猴的社会交往能力,如眼神交流能力、家庭化生活等方面,也有助于理解人类大脑相似功能的形成机理。

  2.日本Brain/MINDS计划研究领域与机构

  Brain/MINDS计划主要由日本47家研究单位的65个实验室组成,同时还包括数个合作国家。日本脑计划的核心任务是狨猴大脑的研究,从微观的基因分子水平到宏观的脑电观测。由于狨猴大脑更像人类而且结构紧凑,这有助于科研工作者更好的认识人类大脑。同时狨猴可以通过基因修饰模拟脑部疾病,这对精神类及神经类疾病的诊断和治疗带来帮助。Brain/MINDS计划主要分为三个研究小组:庆应大学Hideyuki Okano项目组、理研脑科学研究所Atsushi Miyawaki博士项目组、东京大学Kiyoto Kasai博士项目组。

  3.日本Brain/MINDS计划研究进展

  在狨猴大脑图谱绘制领域:开发了针对灵长类动物全脑高速高分辨成像方法,开展了狨猴大脑多维度多尺寸测绘以及功能区超细尺度的测绘,并针对测绘结果分析了狨猴大脑的结构和功能;发布了狨猴大脑三维成像方法和分析系统。

  在脑图测绘技术领域:利用新型半导体光源开发超分辨率多光子显微镜;开发了新的可快速且长期记录神经元活动的三维影像技术;为了减少世代间隔,开发了新的狨猴胚胎基因操控技术;为了研究大脑的高级功能活动,研发了新型双光子显微镜用来观测狨猴额叶皮层侧区的多神经元活动。

  在临床领域,针对神经类的疾病研发早期鉴别方法和鉴别标记物,并对疾病的发病机理和历程建立模型;精神类疾病则针对发病神经网络的传递特征、神经系统与情绪间的内在联系、精神障碍患者与灵长类动物脑图数据的分析对比展开研究。

  在与脑科学相关的研究领域,例如神经形态计算领域,其发展对工程应用的推动是必然的。因为发展这一领域的研究不仅能掌握神经网络运作的基本原理,也能设计出更优化的算法,低能高效的神经形态计算是未来发展的一大趋势。但该领域目前在原理层面上并没有准确的解释,这需要领域内的科研工作者对小样本学习,迁移学习,学习空间的性质等理论难点问题展开深入研究。

  我国脑科学研究情况

  我国脑科学研究简介

  中国科学家早在2013年就开始酝酿中国的“脑计划”。2015年,中国科学家对脑科学与类脑研究的部署达成了“一体两翼”的初步共识。2016年,我国将“脑科学与类脑研究”——中国脑计划,作为重大科技项目列入国家“十三五”规划,资助时间长达15年(2016~2030年)。

  我国脑科学研究进展

  2017年8月31日,中科院召开B类战略性先导科技专项“脑功能联结图谱与类脑智能研究”结题总体验收会,在非人灵长类动物模型研究,感觉、情绪和社会等级行为的神经机制研究,脑功能联结图谱研究及在类脑智能计算模型与算法研究方面取得较大进展。

  2017年11月27日,在中科院神经科学研究所、脑科学与智能技术卓越创新中心的非人灵长类平台世界上首个体细胞克隆猴“中中”诞生;12月5日第二个克隆猴“华华”诞生。这是制作脑科学研究和人类疾病动物模型的关键技术。脑疾病模型猴的制作将为脑疾病的机理研究、干预、诊治带来前所未有的光明前景。

  长远规划助力脑科学研究持续进展

  各国纷纷抢占“大脑制高点”,脑科学发展机遇与挑战并存

  脑科学研究已进入了发展的关键时期,一方面是研究发展的态势迅猛,另一方面是面临强烈的社会需求。因此,近年来,美国、欧盟和日本相继启动了脑科学研究计划。在中国,脑科学研究已被列为事关我国未来发展的重大科技项目之一。

  但是目前脑科学领域还面临着诸多难以克服的困难。首先,在介于微观与宏观的介观层面,对于各种神经元的活动如何动态地组合、编码、加工,最终完成其使命的过程,我们目前的了解还非常有限;其次,对于神经活动是如何产生感知、情绪、思维、抉择、意识、语言等各种脑认知高级功能的理解更是浅薄;再次,科学界对三类重大脑疾病(幼年期自闭症和智障、中年期抑郁症和成瘾、老年期的退行性脑疾病)的病因仍不了解,治疗的措施也十分缺乏。

  着眼于脑科学重大问题,美欧日研究计划稳步推进

  针对上述问题,美欧日等国的脑计划,在以上领域的研究中均有明确的计划并取得了一些进展。

  利用单细胞遗传分析技术、光遗传学等技术手段,对神经元的类别、结构、功能以及联接的图谱展开绘制,将有助于人们了解神经细胞的基本功能和运行机制。此前,美国脑计划启动的BICCN项目以及IBL国际脑实验室倡导的“标准化”模型实验,均是对此问题所开展的研究工作。而欧盟和日本在这一领域也有类似的研究或项目计划正在进行。

  针对大脑高级功能的研究,日本脑计划所使用的灵长类动物狨猴,对于这项问题的研究会产生积极的影响。而欧盟脑计划涉及到的人类大脑项目和大脑仿真平台则是直接将研究内容聚焦到人类大脑,通过模拟揭示人类大脑的深层次活动。而美国脑计划在BICCN项目中也提及了非人灵长类动物脑细胞的普查研究,其下一步的研究也会向灵长类动物倾斜,最终为人脑研究打下基础。

  在医学领域,日本通过转基因技术至使狨猴患病,并研究整个患病过程,建立狨猴病变脑组织的模型,为人类脑病研究提供参考。欧盟则是将临床医疗数据进行整合,分析整理后形成数据平台,在平台建设过程中继续吸纳临床研究的成果,最终通过大量的临床数据建立起病变脑组织模型,通过对模型的研究阐述脑疾病的患病机理及治疗手段。美国方面则还是希望通过绘制完整的人类大脑谱图,从根本上理解脑部活动的原理,进而为脑疾病的研究指明方向。但在临床领域,美国已经着手开展了诸如深度脑刺激(DBS)等新疗法的临床应用,虽然疗效尚不明确,但可以看出美国对于脑疾病的研究不仅局限于理论层面,其临床应用的研究也非常活跃。

  目前,我国脑科学计划的研究方向基本上是确定的,但是对具体的研究内容和研究目标还需进一步明确。因此,推动具有中国特色、体现自身优势、满足国情需求的脑计划,是我国脑科学未来的发展方向。