腦科學,探索「小宇宙」的奧秘

　　數字大腦。資料圖片

圖為模擬人腦神經系統而製造出來的神經形態計算晶片。奧地利因斯布魯克醫科大學網站

大腦是人體最複雜的器官，破譯大腦運轉密碼、揭開生命之謎，是令無數科學家殫精竭慮的艱難課題。2013年，美歐先後公布了具有戰略意義的人腦研究計劃。加速腦科學研究不僅有助於提升人類健康水平，也可帶動相關產業發展、刺激經濟增長。

5月31日，歐洲「腦科學月」落下帷幕。一個月內，歐洲19個國家的相關機構舉辦了50多場活動，宣介腦科學對於人類健康、經濟發展和社會進步的意義，呼籲歐盟各界加強該領域的研發工作。

參加活動的很多科學家說，如同100年前很難想到今天的太空時代和資訊時代，今天的人們也很難想像腦科學的進展將給世界帶來什麼變化。

美歐搶佔戰略制高點，科學家欲為大腦繪製一幅導航示意圖

最近一年，特別是進入2013年以來，全世界圍繞人腦布局的科學研究明顯增多。

2012年夏天，美國6位科學家提出一項名為「人類大腦活動圖譜」的計劃，受到歐巴馬政府的高度重視，經修訂後上升為美國國家層面的大科學計劃。今年4月，歐巴馬宣布將從2014 財年的政府預算中拿出1億美元，啟動這項旨在揭開人類大腦奧秘的研究計劃。

無獨有偶，今年1月歐盟委員會宣布，人腦工程成為歐盟「未來新興旗艦技術項目」之一，並將在未來10年內獲得10億歐元的科研經費。

腦科學研究熱潮，正在全球興起。

人類的大腦是個複雜的「小宇宙」，至今我們依舊對其知之甚少。

今年4月，歐巴馬會見科學家時表示，「作為人類，我們能夠確認數光年外的星系，我們能研究比原子還小的粒子，但我們仍無法揭示兩耳間三磅重物質（指大腦） 的奧秘。」

如果將大腦比作一個城市，那麼目前的技術只能使人們看到城市的大概輪廓，卻無法了解裡面發生了什麼。

美國布朗大學神經科學教授約翰·當納格是「人腦活動圖」計劃的一名核心成員。他說：「最令我感興趣和困惑不解的問題就是大腦如何將思想轉化為行動？對於大腦深層工作原理， 我們仍然了解得不深。」

哥倫比亞大學神經科學教授拉斐爾·尤思蒂表示，「人腦活動圖」計劃的目標就是為大腦繪製一幅導航示意圖，並非靜態示意圖，而是一個高解析度的動態圖。「大腦單個的神經元受到刺激時做出什麼反應，和其他神經元怎樣互動，如何轉變為想法、感情乃至最後的行動，都可以觀察得一清二楚。」

有科學家將人腦計劃視為第二個人類基因組計劃。繪製人類基因組圖譜改變了遺傳學，現在人們希望繪製人腦活動圖也能有類似的科學作用。

近些年，歐洲的德國、英國、瑞士等國家也先後推出了本國的神經科學研究計劃。不過，美國和歐盟依然是當今腦科學研究領域的主角，雙方都希望率先搶佔戰略制高點，從而在未來高科技競爭中佔得先機。

「現在是太空競賽以來，美國的研發水平達到新高度的時候了。」歐巴馬信心滿滿地表示。而歐盟「人腦工程」的專網上則這樣寫道:「如果歐洲想建立一個強有力的競爭地位，必須現在開始行動了。」

加速腦科學研究有助於提升人類健康水平，並帶動相關產業發展、刺激經濟增長

在全球經濟普遍低迷之時，歐美發達國家為何斥巨資加速腦科學研究？

首先是保障人類健康的需要。醫學研究已經發現了超過500種腦部疾病，包括從偏頭痛到精神分裂症和老年痴呆症。在歐洲，約1/3的人口會患上與腦有關的疾病，這幾乎影響所有的歐洲家庭，近年來用於這方面的醫療費用每年高達8000億歐元，隨著社會老齡化程度加深，這一數字還將上升。加強腦科學研究將有助於帕金森氏症、阿爾茨海默氏症等腦部疾病的診斷和治療，提高人們的健康水平和生活質量。

其次是科學探索的需要。腦科學研究不但可以揭開大腦高智能、高效率、低能耗之謎，對人工智慧、基因學、細胞生物學、生理學、生物信息學、解剖學、行為科學、信息技術、納米技術和營養學都有重要拉動作用。

最後也是提振經濟的需要，人腦工程的產業前景十分廣闊，「錢途」不可限量。

上世紀 90 年代初實施的信息高速公路計劃刺激了美國整整十多年的經濟繁榮，經濟學界一直希冀通過一場以科技帶動的產業革命促使全球經濟擺脫衰退，重新走入一個相對繁榮期，人腦計劃正被視為這樣的發動引擎。

歐巴馬曾表示，「在人類基因圖譜的研究中，我們每投入1美元，就獲得了 140 美元的回報。」美國聯邦政府一項分析研究指出，美國人類基因計劃耗資38億美元，截至2010 年美國已獲得 8000 億美元回報。因投資大致相同，歐巴馬將美國的「人腦計劃」與人類基因組計劃相比，並期待更高的回報。

隨著腦科學研究的深入，基於基礎性研究而誕生的新學科和新產業將大量湧現，並將產生眾多的就業機會。腦科學研究屬於具有高科技附加值的項目，以此為基礎的產業必將產生可觀的經濟效益。有研究報告顯示，自2009 年以來，人腦工程領域的產業規模持續增長，2012年相關產業規模約為10億美元，2020年有望增長至60億美元。

腦科學是科學界最難攻克的堡壘之一，繪製人腦活動圖是一項長期工程

與人類基因組計劃相比，「腦計劃」更加複雜而艱難，因為人類大腦是人體中最複雜的器官，研究者必須要費很大力氣來取得數據並分析、理解數據。

儘管近年來相關科學研究日益深入，但人腦科學仍然是現代人體科學中未知因素最多的領域，是科學界最難攻克的「堡壘」之一。

人類大腦由100多億個神經細胞組成（相當於整個銀河系星體總數），是宇宙中已知的最為複雜的組織結構。大腦的複雜性，還在於神經細胞在形狀和功能上的多樣性，以及神經細胞結構和分子組成上的千差萬別。現在，科學家們還不了解任何單個機體的大腦工作機制，就連只有302個神經元的小蟲也沒法了解它的神經體系。目前人類對小神經元網絡工作機制知之甚少，而在細胞解析層面，對於大腦結構的工作機制基本一無所知。

中國復旦大學腦研究院學術委員會主任、中科院院士楊雄裡指出，「人們不可能像基因組計劃標識出每個基因一樣給每個神經元打上標籤」，未來研究的困難之處不僅在於人腦的細胞數量太多，更在於大腦的活動是動態的、因環境而變化，而且在不同層次上又有不同性質的問題。

北京師範大學腦與認知科學研究院院長羅躍嘉認為，大腦研究不但需要理論的進步，還需要技術設備的同步更新。目前來看，技術手段還不足以支撐起研究動態腦的基礎，技術設備研發也不容忽視。「就像我們要去研究火星，首先要建造一艘能夠到達火星的飛船。」 羅躍嘉說。

楊雄裡認為，要繪製出完整的人腦活動圖，10年時間顯然是太短了。以楊雄裡的研究經歷來看經常會出現這樣的情況：當對一個問題有了比較深入的了解以後，大量新問題會接踵而來。

「人類對大腦的認識是絕對真理，在某一個歷史時期我們所認識的是相對真理，我們可以無限逼近大腦的奧秘，但不能窮盡。」楊雄裡說。