《科學》詳解美國大腦活動圖譜項目—新聞—科學網

2020-12-17 科學網
《科學》詳解美國大腦活動圖譜項目
——關於人類大腦活動圖譜的9個問號

 

BAM何以同人類基因組計劃相媲美，以及又如何值得數十億美元的投資？

 

圖片來源：Thomas Schultz/Creative Commons

 

■本報實習生 段歆涔

 

美國《紐約時報》於2月18日披露：歐巴馬政府將在下一財政年度的預算中為一項重大研究課題——大腦活動圖譜（BAM）項目撥款，這項研究最終可以極大地拓展人們對人類大腦健康和患病狀態的認知。《科學》最新撰文，詳盡解釋了BAM何以同人類基因組計劃相媲美，以及又如何值得數十億美元的投資，力圖讓公眾了解BAM的真正價值。

 

何為大腦活動圖譜

 

可以說神經科學家目前只能對大腦活動進行粗略的測量。他們可以通過正電子發射計算機斷層掃描技術（PET）或核磁共振成像技術（MRI）並藉助介質例如氧氣，對大腦廣闊區域的活動進行探測，或者測量單體或少數的神經元電活動。一些神經科學家將數碼成像或者電視篩選技術所存在的問題和正確的解決方法相對比，認為PET和MRI缺乏對細節的描繪，會產生很多模糊的圖像，而將焦點集中於少數的神經元就好像近距離地觀看低像素的照片，失去了整張的畫面。研究者普遍認為批判性思維，例如思考和認知產生於這兩個極端之間，需要數千到上百萬不等的神經元參與。現在，研究者還不能對如此大規模的神經元集成活動進行觀測。為了繪製人類大腦活動圖譜必須研發新方法，從而可以在動物模型條件下繪製圖像以及跟蹤大量的細胞活動，然後再去尋找一種安全的方式將該方法應用於人類。目前還不清楚該項目將著眼於哪一種大腦活動圖譜的繪製，但是理論上，這種新方法可以幫助科學家理解導致大腦不協調的因素，例如癲癇和精神分裂症，這些疾病被懷疑始發於不同大腦區域間不正常的神經連接。

 

誰將參與

 

美國國立衛生研究院（NIH）將極有可能主導該項目的研發；國家科學基金會、國防高級研究計劃局（DARPA），以及白宮科技政策辦公室（OSTP）亦參與了該項目的提案。卡夫利基金會是開發和推廣該項目的領頭羊，除此之外還有艾倫腦科學研究所和霍華德·休斯醫學學會（HHMI），它們都是神經科學研究的支持者。上個月，微軟、谷歌，以及高通公司亦參與了一場旨在探討如何從該項目中分析數據的研討會。

 

由何而來

 

2011年9月，在一個於英國召開的並由卡夫利、艾倫和蓋茨基金會共同贊助的會議上，主持個人基因組項目的分子遺傳學家George Church，以及來自卡夫利基金會的哥倫比亞大學神經科學家Rafael Yuste提出的提議引起了軒然大波。該提議內容是：通過廣泛的、協調一致的努力來開發一項新技術，用於追蹤人類大腦的功能連接活動，最終達到可以測量每一個神經元活動的水平。儘管一些與會者持懷疑態度，但Yuste說，這份提議已經引發了足夠的熱情，從而形成了一本白皮書，其間由卡夫利基金會科學項目副主席Miyoung Chun主導的推廣活動，最初始於2011年12月同NIH、DARPA和OSTP舉行的一系列會議。

 

2012年1月，該項目的良好勢頭在聖塔莫妮卡召開的第6屆卡夫利未來研討會上得以延續。緊接著，一篇發表在《神經》雜誌的論文充實了項目的研究目標和細節，並說明主要集中於動物研究。2012年7月，隨著OSTP對該提議提出要像人類基因組計劃那樣在科學和科技領域具有重大挑戰性的要求，Chun以及其他《神經》雜誌的合著者與聯邦機關的官員（尤其是OSTP政策司副司長Tom Kali）一道，對提議進行了修改，使該項目更多地關注對於人類的適用性。

 

是否真的聚焦人類大腦

 

該項目早期的描述主要集中於動物模型，並沒有涉及到很多對於人類大腦的研究。但是在Chun及其同事與聯邦機構最後幾個月的對話中，課題小組加強了對於人類適用性的研究，並邀請其他研究者，例如研究大腦控制修復技術的John Donoghue加入到會談中來。Yuste說，與OSTP以及NIH的合作，極大地推動了該課題向著更具有「社會責任」的形式轉變，並且與病人護理建立了實踐聯繫。該項目新強調的部分可能對其實際研究範圍之外的一些難題作出回應；例如，《紐約時報》暗示科學家嘗試在未來10年內構建一種人類大腦活動的綜合圖譜。來自維吉尼亞州HHMI Janelia農業試驗站的執行董事Gerald Rubin說，實際上，該項目更多地關注動物模型的研究。他在一封郵件中寫道：「《紐約時報》的文章並沒有很好地體現政府計劃中對於研究範圍的要求。尤其是由於科學和道德的原因，頭10年裡大量的資金將會被用於『模式生物』的實驗中。」

 

項目持續多久

 

該項目的計劃書顯示的實際所需時長要比《紐約時報》所暗示的長很多。根據計劃書，5年以後，科學家將可以監測秀麗隱杆線蟲幾乎整個的大腦活動，該生物的大腦擁有302個神經細胞和大約7000個神經節點。10年之後，科學家預期可以完成擁有大約13萬個神經細胞的果蠅的整個大腦圖譜的繪製。15年後，預計可以觀測斑馬魚的大腦活動，或老鼠大腦皮層中一些區域的活動。

 

白宮提議究竟怎樣

 

NIH和其他聯邦機構目前並未發布詳細的提議。但是，根據《神經》雜誌上的論文以及《科學》獲得的一份最新更新的文件顯示，Chun和他的同事建議以科技發展為初始目標，並劃分了4個階段：第一階段，他們提議集中研發新影像工具，可以利用光去穿透腦組織，探測並操控細胞功能；第二階段，通過利用新一代的電子探針，同時監測和操控大量的細胞；第三階段，利用最新的納米技術，對單個神經細胞內的活動進行實時匯報；第四階段，利用人類基因組計劃的靈感，建立數據分析和共享系統。

 

要花多少錢

 

根據《紐約時報》的文章，科學家希望在接下來的10年內每年獲得3億美元的科研資金，這一數字可以與每年耗資3.8億美元的人類基因組計劃相媲美。但是文章沒有對該預測作出任何詳細說明。（NIH的官員說他們在總統2014年度預算公布之前不能對項目資金給予任何評論。）目前還不清楚有多少資金將來源於符合BAM研究課題的被重新包裝的已有神經科研項目。卡夫利基金會預計會為該項目每年提供400萬到500萬美元的科研資金；HHMI以及艾倫腦科學研究所將負責該項目中一部分的相關工作。

 

是否有爭議

 

這是毫無疑問的。由於資金短缺，被科研機構駁回的資金申請書比例越來越高。該提議是一項比人類基因組計劃更具有野心的項目，測繪靜態的人類大腦迴路圖，這本身就遭受了很多批判。而社會媒體上眾多科學家的評論，也標誌著它的出現重新點燃了究竟應該資助大科研工程還是獨立調研者的爭論。但是，美國國立神經疾病與中風研究所所長Story Landis暗示，該項目最初著眼於開發新技術，而這一過程通常是在獨立實驗室，而非大型科研中心中完成的。

 

來自紐約冷泉港實驗室的神經科學家Partha Mitra認為，該項目所提議的眾多新發明，例如可以穿透腦組織的新光學技術，仍然屬於科幻範疇。同時，他補充說，該項目在調研階段並未與神經科學界開展廣泛交流。他比較認為這一過程不及最近獲得資金的旨在為大腦活動構建電腦模型的歐洲人類腦計劃，後者的醞釀包含了更多的公共討論。（儘管如此，歐洲人類腦計劃也因為具有過多的假設而非從現實出發而招致批判。）

 

Yuste解釋道，人類基因組計劃初次提出時也曾飽受反對者的攻擊。他說，儘管測繪人類大腦活動圖譜是一項更艱巨的任務，但這一巨大的挑戰是刺激新工具的研發以及跨學科的科學家通力協作所必需的。他認為，作為一門科學，神經科學已經到了破舊革新的階段。他希望這項神經科學項目可以像其他大型科研項目，例如美國國家納米技術計劃和人類基因組計劃一樣，為該科學領域贏得關注。

 

有可能通過嗎

 

對神經科學研究的興趣歷來是兩黨共有的，但目前還不清楚對於該項計劃的討論是否已經從白宮擴展到國會。大多數科研機構正在減少，而不是增加大型的新研究課題。而且如果NIH的預算被縮減5.1%，那麼該機構將不會把如此大量的資金投入到這一新項目中。

 

《中國科學報》 (2013-02-26 第3版 國際)

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