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透视美国脑计划复杂度超过人类基因组计划

来源: 作者: 2019-03-25 13:02:00

本月美国白宫公布了“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”)。美国总统奥巴马在2013年初的国情咨文中表示,这项计划将让科学达到一个自从太空竞赛以来从未见过的高度。无独有偶,欧盟委员会也在年初宣布,人脑工程和石墨烯两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”,并为此设立专项研发计划。

“脑计划”是什么样的?可以与基因组计划相比吗?与欧盟委员会推出的人脑工程的区别是什么?带着这些问题,本报近日采访了这项计划的科学家,一探其究竟。

一、启动后的“脑计划”将是什么样子? 科维理纳米系统科学家、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究院负责人保罗·韦斯在接受采访时说,这项计划首先是一种新技术,然后会变为对复杂多维的大脑活动的记录。此后,这项计划将对涉及对此前研究结果的建模。届时,将尝试在前人从未达到的大脑研究层面分析这些数据。

美国加州理工学院脑成像中心负责人、神经科学教授拉尔夫·阿道夫说,尽管关于这一计划的详细方案尚不明晰,但可以肯定的是,“计划”的核心内容是新技术的发展、应用,这让我们可以记录来自大量大脑细胞的数据。而这些是了解大脑工作机制的基本信息。

从科维理基金会组织的初会议开始参与“脑计划”的加州理工学院专家桃瑞丝认为,现在大概谁也不知道这个问题的确切答案,如何开展这项计划,还没有统一的意见。其中,研发新技术和新工具是这项计划的重点。桃瑞丝说,一个趋势是我们都认识到需要研发新的工具。在过去10年内,神经科学研发出了很多新工具。

二、“脑计划”能与人类基因组计划相媲美吗? 桃瑞丝说,与人类基因组计划(HGP)相比,“脑计划”的目标目前尚不够清晰。人类大脑拥有1000亿个神经元和100万亿个神经突触,包含着科学界的巨大奥秘,这看起来是项难以完成的任务。

阿道夫认为,“脑计划”比HGP复杂得多,科学家需要做大量工作以了解如何分析和理解数据。与基因组计划一样,“脑计划”也会涉及伦理问题。

三、美国“脑计划”与欧盟人脑研究项目有何区别,是否会竞争资源? 阿道夫说,欧盟的人脑工程与美国的“脑计划”有很大不同,前者提出在巨型计算机上对人脑建模,而建模所需的数据可以来自美国“脑计划”,两者可以互为补充。

韦斯说,人脑工程提供的是一种对人脑的计算机模拟。而“脑计划”则主要针对于模型生物大脑神经回路的实验性测量。

四、为什么有人对该计划充满“狂野”的热情,而有人却对它能够完成持怀疑态度? 阿道夫说,事实上,实施介于两者中间。目前提出记录人类大脑的每个神经元简直就是“幻想”。“如果在我的有生之年能够做到这一点,我将非常震惊,”他说,即使对一只老鼠大脑中的小区域成像也将极具价值,如果这一计划可以让众多科研人员使用并从这个技术中受益,将是件好事。

韦斯认为,齐心协力的努力将在未来几十年加速大脑科学的研究,如同神经连接组学、大脑计算建模科学一样,“脑计划”同样需要聚集不同领域的科学家和工程师共同合作,让他们在神经科学领域解决关键问题。在这两种态度中,人类基因组计划是一个很好的类比。其结论对生物学和医学有非凡贡献。

五、目前人类大脑研究领域处于何种阶段? 阿道夫告诉,现在科学家不了解任何一个单个机体的大脑工作机制,就连只有302个神经元的小虫,也没法了解它的神经体系。尽管目前人类对单个神经元有了不少了解,但对于小神经元络工作机制知之甚少。而在细胞解析层面,对于大脑结构的工作机制基本一无所知。

韦斯说,目前我们已经可以通过功能磁共振成像(fMRI)等方法在低分辨度情况下记录大脑。依据需测量的内容,我们通常可以同时记录十几个神经元,多的时候可以记录1200个。

六、“脑计划”中将会应用哪些方法和技术? 阿道夫说,这个问题目前还不明确。可能通过光学方法获取多种成像类型的大量数据,但也可能会运用纳米技术的构想。

韦斯说,这项计划的研发和应用技术尚未确定,可能会包括电子探针技术、光学探针技术,光遗传学、功能化纳米粒子技术、合成生物学技术等。

桃瑞丝说,成像技术和电子物理学技术是记录神经元信息的两种途径,两种途径各有优劣。

“脑计划”高层级工作组联系主席、斯坦福大学神经学教授威廉·纽瑟姆对美国媒体说,由于新的光学成像工具和平行电极阵列等工具以及其他新工具的研发,让我们具备做更多事情的潜能。 此外,fMRI是一个伟大的工具,这种工具就像是在太空通过卫星观测地球上美国夜晚的灯光,你可以从灯光判断来自哪个城市,以及通过车辆实现的城市之间的联系。这是一个有关规模和分辨率的问题。

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