人脑研究计划的进展和扩充

　　随着人脑研究计划的进展和扩充,它开始像似一个大规模的社会实验活动,正在成为一个为社会关注的热点,受到公众的密切关注。而主导BRAIN计划的NIH、NSF和DARPA一直彼此保持沟通,然而,白宫迄今无意对它们之间的协调进行干预。有科学家为此担忧,如果没有顶层规划, BRAIN这样庞大的计划是难以完成的。

　　自 2013 年 4 月 2 日美国总统奥巴马宣布了人类大脑研究计划后,5 月的一个上午,弗吉尼亚州阿灵顿一家酒店的宴会厅坐满了神经学家、物理学家和工程师,他们就该计划的最终目标展开了讨论。10 月,奥巴马承诺,这项为期 10 年、投资 13 亿美元的“使用先进神经技术的人脑研究(BRAIN)计划, 将开发一系列工具来推进针对大脑活动的研究,并最终导致人类在对大脑的理解上取得重大突破。 其意义之深远,可媲美当年的“阿波罗”登月计划。

　　然而,在 4 月 2 日的宣布中,奥巴马并没有明确该计划中的一些关键细节、具体目的以及如何实现。 5 月 6 日,美国科学基金会(NSF)和科维里基金会就此举行了一个专家研讨会,与会者纷纷提出各自的疑问和见解。研讨会组织者之一、美国哈佛医学院神经生物学家范·韦迪恩(Van Wedeen)坦承,尽管会议未能取得一致意见,但参会者都担心被神经科学“下一个大事件”排除在外,即使没有人知道下一步将会发生什么。 “会议取得的共识是,我们正在准备下一个飞跃,”韦迪恩说道,“至于飞跃具体是指什么,发展方向是什么,目前仍在讨论之中。 ”

　　BAM与BRAIN有人将人 BRAIN 描述为罗尔沙赫氏测验(即通过墨渍图案反应分析人的性格的实验), 其导致每个研究人员产生各自不同的希冀以及不确定感。 然而,随着人脑研究计划的进展和扩充,它开始像似一个大规模的社会实验,正在成为一个为社会关注的热点,受到公众的密切关注。

　　事实上,在奥巴马提出“人脑计划”之前的 18个月,科维里基金会已经邀请了一批神经学家和纳米科学家,在英国奇切莱举行的一次会议上,制定了未来神经科学研究的远景规划,即记录下数千甚至数百万神经元的电脉冲活动。这是我们理解大脑产生思想奥秘的唯一途径。纽约市哥伦比亚大学神经科学家拉斐尔·尤斯特(Rafael Yuste)说道。 目前的技术只能记录单一神经元或小群神经元在某一时间内的活动,“这就像在电视上看着某一个像素而试图看明白电视节目一样。 ”

　　为了更清楚地“看明白”大脑活动,科维里基金会提出了绘制大脑活动图谱(BAM)计划,即为研究人员提供研究小范围内的、简单生物体神经活动详图工具(果蝇),然后逐渐向更大、更复杂哺乳动物系统转移(老鼠视网膜)。 据预测,在 15 年内,BAM能够同时记录下老鼠大脑皮层的所有活动,甚至灵长类动物的大脑活动,而人类大脑,将是 BAM 的下一个目标。

　　BAM 计划引起了白宫的关注,第一个暗示出现于 2013 年 2 月 12 日奥巴马的国情咨文中。 当时几乎没有神经科学家意识到, 直到五天后,《纽约时报》第一版上的报道令这些科学家恍然惊觉:白宫计划推出一个为期十年的神经科学研究计划。 文章提到, 这一有可能获得相当于人类基因组计划(38亿美元)联邦资助的计划,将在十年里绘制出人类大脑神经活动详图。

　　4 月 2 日正式宣布时,2014 财年对 BRAIN 财政拨款并没有之前预想的那么高,只有 1.1 亿美元,也没有定下具体的时间限制,但白宫暗示该项目可能会持续十年甚至更长时间。 与 BAM 计划不同,当时BRAIN 并没有定下明确的目标,也没有承诺一次性记录多少特定数量的神经元数目,只是简单地提到需要新工具来帮助神经科学家绘制更清晰更详细的活动中的大脑回路图, 为癫痫、孤独症、老年痴呆症和精神分裂症等神经系统疾病的治疗开辟新的途径。

　　在经费投入构成上, 美国国防高级研究计划局(DARPA)第 一年投入 5 000 万美元,美国国立卫生研究院(NIH)投入 4 000万美元 ,NSF 将追加投资 2 000万美元。 另外,还有支持这一项目的四个私人机构投资总计为 1.22亿美元。与会者的反响在 NSF 5 月举行的研讨会上,与会者被要求提交一页篇幅的建议,提出并描述理解人类大脑最主要的一个障碍,每人有一分钟的时间提出自己的论点和论据。

　　“ 我最关注的是如何准确快速地重构大脑回路,” 来自弗吉尼亚的神经学家阿尔伯特·卡多纳(Albert Cardona)说道。 卡多纳力推通过改良的自动化技术绘制超精细的大脑解剖图;有些人呼吁应遵循 BAM 计划思路, 以前所未有的神经元数量记录大脑神经元活动; 一些人则推荐生物体为实验模型,强调海量数据的存储,以及理解这些信息的计算方法和理论方法的重要性。

　　与会者见仁见智,但对于项目的具体实施却未能取得一致意见,甚至对于项目实施究竟是利用新的投资,还是从现有的研究经费中支出,也没人能够确定。 NIH 的 BRAIN 顾问委员会成员、一个被称为“梦想团队”的 15 人小组[负责人为纽约洛克菲勒大学的神经学家科妮莉亚·巴格曼 (CorneliaBargmann) 和加州斯坦福大学的威廉·纽森姆(William Newsome)]的第一个任务是给出一个中期报告,即概述 NIH 为该计划制定的第一年的科学目标。 9 月该报告提交给 NIH 后,该团队开始制定一个从 2014 年 6 月开始实施的长期计划。

　　会议举行后不久,NSF 顾问委员会开始其第一个任务:召集四次系列研讨会,收集神经科学界的信息反馈,其范围覆盖分子技术、大规模神经元活动录制技术、计算神经学和理论神经学以及人脑研究成果,由特邀嘉宾发言。允许科学家畅所欲言是必要的,但神经科学领域内的许多人认为,演讲者和主题没有包括他们感兴趣的一些东西,“梦想团队”因此受到了来自分子神经学、细胞神经学和发育神经学领域的科学家的一些批评。

　　让研究人员更为不安的是,没有人知道他们能否亲自参与到这个项目中。 6 月,DARPA 的杰弗里·林(Geoffrey Ling)表示,他的机构不会公布任何关于 BRAIN 项目的计划;9 月,NSF 生物科学首席官约翰·温菲尔德(John Wingfield)表示,他们在等待NIH 的报告公布后才会发布自己的计划 ,以避免重复。 NSF 用于神经科学研究的年度经费为 1.5 亿美元,而 NIH 则多达 55 亿美元。

　　投资与预期目标与此同时,几乎所有人都在担心这些资金从何而来,国会显然不会将新的资金用于大脑计划的第一年。 少量新的融资应该来自 NIH 同意的 4 000 万美元和由院长支配的 1 000 万美元。 尽管 NIH 和NSF 都 称 ,该计划不会影响现有的项目 ,但缺乏新的专项基金意味着包括 DARPA 在内的三个机构,不得不将该项目与正在进行的一些其他项目绑定在一起,至少是一部分。 加州拉霍亚的索尔克生物研究所,华盛顿西雅图的艾伦脑科学研究所,马里兰州的霍华德-休斯医学研究所都表示 , 希望BRAIN 计划作为他们目前 正在进行的项目的后续研究项目。

　　9 月初,私人合作伙伴决定自行其事(三个机构中的两个保持沉默);9 月 16 日,NIH 顾问委员会发布了中期报告。 令人研究人员惊讶的是,这份报告几乎包括了所有以神经电路为基础的神经科学,从对大脑中每一种类型的细胞分门别类、绘制所有这些细胞的神经连接图,到监控和操纵这些细胞的信号并加以模拟和仿真, 几乎每个人都有了用武之地。

　　NIH 院 长弗朗西斯·柯林斯 (Francis Collins)最终同意并认可了这份报告。 他说:“研究领域日益向外扩展延伸,涵盖了更多的研究范围,这意味着预算无疑将远远超过 NIH 提供的一年 4 000 万美元的投入。 ”更为雄心勃勃的一些想法可能会对未来几年的投入产生影响。 尤斯特补充说,这不仅仅是几年的问题,“可能是需要 15 年时间和 30 亿美元来做的事情。 ”

　　NIH 顾问委员会在制定 2014 年 6 月 交付的长期报告时,或将面临艰难的选择。 因为,这需要将研究项目优先级划为短期、中期和长期目标,包括时间表设定、成本估算,以及详细说明未来几年里可能取得的成果。 目前,他们已经为一些问题感到挠头,例如,究竟该优先考虑利用电子显微技术获得超精细大脑神经元解剖图项目? 还是优先考虑使用光学显微镜完成低分辨率大脑图谱项目?

　　虽然 NIH、NSF 和 DARPA 一直对彼此的计划保持沟通,然而,白宫迄今仍无意对它们之间的协调进行正式的干预。 这就引起了类似尤斯特等研究人员的担忧。 为此,他呼吁创建一个类似粒子加速器装置的“大脑观测台”,提供一些技术含量高、代价昂贵且超出个人实验室维护能力的设施。 他告诫道,没有顶层规划,是难以完成 BRAIN 这样庞大的计划,最终可能被投资于个别机构的小额经费拖住后腿。

　　但是,包括巴格曼在内的其他一些人,反对将有限的资源投入单一集中的项目中。 “现在不是去选择某个方法, 或者说这个才是正确的做法。 ”相反,她希望能够支持并促使个人和一些研究团体产生更有创意的想法,看他们最终能走到哪一步。

　　NIH 顾问委员会希望 ,神经科学领域的研究人员应充分发挥他们的创新能力,于 11 月 11 日在加州圣地亚哥会议中心召开的神经科学学会年会上一起讨论并完善 NIH 的中期报告,共同推进对人类未来意义重大的 BRAIN 计划顺利实施。