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蒲慕明:美国的大型脑科学计划聚焦在新技术开发

星期六, 24 8月 2013 10:42

 2013年08月21日 14:26:23来源: 文汇报

    我今天主要介绍今年美国总统奥巴马提出的脑计划,也简单介绍一下欧盟推出的人脑计划。奥巴马在今年2月12日的国情咨文里首次提出,美国要开展一个“脑活动图谱计划(Brain Activity Map)”。在谈到这个计划时他说,科学家将把大脑里所有的神经细胞(神经元)的活动记录下来。有了这种资料,就能进一步理解大脑的功能,也能帮助治疗脑疾病。

    最大动机是为医疗减负

    奥巴马提出脑计划的主要社会背景,是脑疾病正引发越来越大的医疗负担问题。现在,如阿尔兹海默症、帕金森氏病、中风、抑郁症等脑疾病的负担已经成为全球医疗负担中最大的一项。2005年,世界卫生组织的估计达到28%(包括社会负担、医疗负担),高于心血管病,高于癌症。如此重负是美国社会所无法承担的。这个问题不解决,二十年、三十年后,整个美国医疗系统将要破产,这是奥巴马政府最大的压力。

    美国脑活动图谱计划的主要目标是科学家所提出的“纪录每一个神经元的每一个脉冲 (record every spike from every neuron)”。假如我们知道大脑进行其功能时每一个神经元的电活动,我们就可能会理解正常的脑功能,以及脑疾病是怎么发生的。

    现有最好的电活动探测技术是“钙成像”。钙成像反映的是一连串的神经脉冲,而不能反映单一脉冲;而且,目前最多只能纪录一千个神经元的活动,而人脑有一千亿个神经元。所以要发展新的技术。

    首先要研发的是高效的神经元电活动的探针,其次要有观察和纪录探针信息的方法,最后要建立处理大量脑电活动信息的方法。科学家提出要研发的技术,是对电压敏感的、能发荧光的纳米粒子。这样的纳米探针必须对细胞膜电压敏感,同时又有很高的时空分辨度。目前还完全没有这样的技术。

    他们还提出,要使用新的纳米技术做多通道的电极,以此来纪录大量神经元的电活动。此外,测量探针信息和处理大量信息的方法,也需要有所突破。

    科学界与白宫目标有异

    提出脑活动图谱计划的科学家目标很清楚:五年之内,要获得有302个神经元的线虫和果蝇部分脑区(约1.5万个神经元)的完整活动图谱,这一点他们有信心。而10年内,要完成整个果蝇脑(约13.5万个神经元)的电活动图谱,包括每一个神经元在什么时候放电,做什么行为能够放电等等。15年后,该计划可能完成小鼠大脑皮层(约有数千万个神经元)的完整电活动图谱,而这将是非常巨大的挑战。

    奥巴马提出在十年内花费30亿美元,希望能对人脑的认识有所突破;但科学家只期望10年内完成果蝇和小鼠的电活动图谱。这两者的差距非常大。其实,奥巴马科技政策办公室的人也没有告诉他,这个计划真正可能达到的目标是什么。

    人脑有1000亿个神经元,到底哪一年可以搞清楚?进一步说,有了完整的人脑电活动图谱,对神经科学的长远发展会有意义,但对治疗脑疾病有多大贡献还是未知数。这个计划提出了一个宏大的脑科学愿景,将能大幅度推动交叉学科开发,包括纳米科学、微电子科学、计算机科学、分子生物科学等有关的新学科、新技术。但关键技术完成的可能性和时间难以估计,成果用于脑疾病的诊断和治疗更是遥遥无期。

    在收集了各种意见之后,白宫于4月召开记者会。这次,奥巴马改变了说法。他说我们现在称其为“BRAINInitiative”(BRAIN既有“大脑”的意思,又是BrainResearch Through Advancing Innovative Neurotechnology的首字母缩写,意为“基于创新型神经技术的脑研究”——编注),这个计划包括了脑活动图谱以外的许多脑研究的新技术研发,如与医疗直接有关的脑机接合器件,对人脑和其他模式动物的研究也将不再位列其他简单模式动物,比如线虫和果蝇之后。

    我认为在此时刻,脑功能联结图谱的建立应先于微观细胞电活动图谱的建立。在知道每一个神经元电活动之前,应该先知道各种脑功能的环路大致拥有怎样的结构,包括了哪些脑区和哪些种类的神经元。 如果你对整个宏观的或者环路层面上的联结没有搞清楚,那即使你知道每一个神经元的活动,还是不知道怎么分析,怎样去理解它的规则。

    欧盟想用电脑仿人脑

    欧盟的人脑计划是五年前开始的“蓝脑计划”(BlueBrain Project)的延伸。

    “蓝脑计划”是一个用电脑来模拟鼠的大脑皮层的计划。现在的欧盟计划是十年,每年1.2亿欧元,目标是归纳我们对人类脑部现已掌握的网络联结资料,通过超级计算机逐步构建模型以模拟人脑。该模型将使人类终能了解大脑和脑疾病,并为未来的计算机和机器人技术提供一个新的前景。

    欧洲多数神经科学家都认为,现在做模拟脑,时机还不成熟,因为对大脑的理解目前还太粗浅,没有足够的准确参数去做模型。现在,即使做出了一个人脑模型,它的可靠性将大有问题,对脑科学和脑疾病资料都没有什么用处。

    也许是因为反对的声音太大,最新的消息说这个计划的内容已有些修改,也开始资助与模拟脑无关的研究项目。

    应更注重脑病研究

    最后,我觉得未来中国的脑研究计划要跟欧盟、美国的不一样,我们更应关注真正紧迫的问题,那就是怎样治疗脑疾病。

    对许多脑疾病、尤其是精神类疾病和退行性疾病,目前药物治疗的效果并不好。早期诊断、早期干预是脑疾病治疗未来最有希望的途径。而且,未来更应重视生理和物理手段,不能只依赖药物治疗。在疾病症状出来之前,及早干预可能是减轻脑疾病社会负担最有效的方式。□中科院外籍院士中科院上海生科院神经所研究员 蒲慕明

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