概述
人類大腦計畫人類大腦計畫
人類大腦計畫包括神經科學和信息學相互結合的研究，其核心內容是神經信息學。腦科學和信息學是當今國際科學研究的兩大熱點，神經信息學是這兩大學科相結合的新興的邊緣學科。其目標是利用現代化信息工具，使神經科學家和信息學家能夠將腦的結構和功能研究結果聯繫起來，建立神經信息學資料庫和有關神經系統所有數據的全球知識管理系統，將不同層次有關腦的研究數據進行檢索、比較、分析、整合、建模和仿真，繪製出腦功能、結構和神經網路圖譜，從而解決目前神經科學所面臨的海量數據問題，從基因到行為各個水平加深人類對大腦的理解，達到“認識腦、保護腦和創造腦”的目標。美國在這方面處於領先地位。
緣起
曼哈頓計畫、阿波羅登月計畫和人類基因組計畫是劃時代的三大科學工程，它們給整個人類社會帶來了深遠的影響。人類基因組計畫是生物實驗結果和信息學的完美結合，人類基因庫將為人類健康、疾病診斷、藥物開發、生態平衡和生物學研究作出不可估量的貢獻。許多科學家認為，在人類基因組計畫之後應該是人類蛋白質組計畫和人類腦計畫。
人腦的複雜性遠遠超出了我們目前（21世紀初）的認識能力，傳統的細胞生物學等的實驗室研究對於解決人腦對複雜信息的獲取、處理與加工及高級認知功能的機制，猶如只見樹木不見森林。神經信息學工具和資料庫的套用，使得我們可能從有限的實驗數據中找出神經信息獲取、處理和整合的規律和法則，提出在各種刺激條件下，腦內信息加工的數學模型的實驗假設和用計算機模擬腦內神經信息網路。可以說，人類腦計畫近20年的發展歷程處處與神經信息學緊密相連。
人類腦計畫的基本概念起源於80年代早期。在美國國防部、NIH和NSF聯合召開的一次會議上，神經科學家和計算機專家集中討論了“利用計算機技術建立腦的資料庫和模型”的議題。美國科學院醫學研究所於1989年成立了專家委員會，對利用現代信息學方法研究腦的科學性和可行性進行了論證。歷時2年，收集了150名科學家意見。1991年夏天發布了題為《MappingtheBrainandItsFunction:IntegratingEnablingTechnologiesIntoNeuroscienceResearch》的報告。建議設立一項研究計畫，專門用於資助那些神經科學與信息學相互結合的研究，神經信息學從此而誕生。
1992年，美國國立精神健康研究院（NIMH）正式確定支持這一行動，成立了“人類腦計畫”聯邦協調委員會（FICC-HBP），負責組織協調和指導這項工作。當年得到了4個部15個聯邦機構的聯合資助。包括美國國立健康研究院（NIH）、美國國家自然科學基金會（NSF）、美國海軍（0fficofNavalResearch）、美國宇航局（NASA）和能源部等。1993年4月2日，美國聯邦資助小組聯合發布了“人類腦計畫”的第一個項目公告：人類腦計畫的可行性研究，由美國國立健康研究院承擔。
人類大腦計畫人類大腦計畫
1995年10月該計畫的修訂版本發表，對人類腦計畫的重要性和特殊性予以確認。要求每個課題應包括腦（包括行為）和信息學兩方面的研究內容。信息學重點研究：建立適用於腦和行為研究的資料庫、質詢方式和修訂工具；數據具體化、整合和合成的研究；在現有信息工具和資源之間建立橋樑的研究。腦的研究包括在器官、組織、細胞、分子、基因水平的研究。行為研究主要是學習、記憶、認知、情感和語言等。
1997年人類腦計畫在美國正式啟動，美國20多家著名的大學和研究所參加了這個研究計畫。50多位神經信息學的課題負責人得到該項目的基金資助。他們充分利用神經科學和信息科學的優勢條件進行研究，相互間建立合作關係，利用電子網路互通信息，運用資料庫進行資源共享。
1996年在巴黎的政府間實體———經濟合作發展組織（OECD）的科學論壇批准建立以美國為領頭國家的神經信息學工作組，參與國包括美國、英國、德國、法國、瑞典、挪威、瑞士、澳大利亞、日本等19個國家，歐洲委員會也作為正式成員參加。其目的是組織和協調全世界神經科學和信息學家共同研究腦、開發腦、保護腦和創造腦。根據規定，成員國之間可利用電子網路尋求研究協作夥伴，進行數據交換和科研協作，可以免費使用通用神經信息學資料庫和信息工具，承擔科研任務，同享科研成果和腦研究資源。
美國國立精神衛生研究院副主任，美國國立衛生研究院神經信息學部主任——考斯陸博士是全球人類腦計畫的負責人。考斯陸博士是一名神經藥理學家，他在神經科學、心理學和藥理學等領域出版了多本著作，發表了100多篇科研論文，還得到了十幾個不同的榮譽和獎章。考斯陸博士創建NIH第一個神經科學項目，並出任NIMH基礎與臨床神經科學部主任。幾年前他又創建了著名的人類腦計畫並出任NIH該機構主任，該機構目前已資助數千萬美元專項科研經費用於人類腦計畫和神經信息學的研究。美國的幾個著名大學，如哈佛大學、耶魯大學、加州大學、康乃爾大學等都承擔了人類腦計畫的研究課題。
沒有一個國家能獨立完成“人類腦計畫”這項巨大的工程，它需要像人類基因組計畫那樣開展國際間的大規模協作。目前，國際性的神經信息合作組織已在全球召開了4次工作會議，共同策劃“全球性人類腦計畫和神經信息學”。具體已提出幾項重大建議：創建全球性的神經信息學電子網路，開發先進的神經信息學工具、方法和資料庫，通過數據資源共享和建模仿真來了解神經系統的結構和功能，推動科學進步。
2013年3月公布美國一項名為“腦活動繪圖”的計畫，參與者包括國家衛生研究院、國防部高級研究項目局、國家科學基金會等聯邦機構，霍華德·休斯醫學研究所、艾倫腦科學研究所等私營機構，以及神經學家和納米科學家組成的團隊。他們將共同推進對人類大腦近千億神經細胞的理解，加深對感知、行為以及意識的研究。這一計畫也有助於加深阿爾茨海默氏症、帕金森氏症等疾病的理解，找到一系列神經性疾病的新療法，並有望為人工智慧領域的進展鋪平道路。
目的
揭示大腦的奧秘是新世紀人類面臨的最大挑戰
人之所以成為萬物之靈，有別於其它物種，是因為人類有極其複雜的大腦，它是千百萬年進化的結晶。在過去的六億年中，生物體通過進化產生出由大量神經元相互聯結而形成的神經網路，解決了在不斷變化的複雜環境中人腦如何處理各種複雜信息的問題。尤其是人的高級認知功能的高度發展，使得人類成為萬物之首，具備了主宰世界的能力。科學研究發現，一個成人大腦重約3．3磅，體積1．5公升，腦內有上千億個神經細胞，還有超過10^14個神經突觸。大腦是生物體內結構和功能最複雜的組織，是接受外界信號、產生感覺、形成意識、進行邏輯思維、發出指令產生行為的指揮部，它掌管著人類每天的語言、思維、感覺、情緒、運動等高級活動。人腦也是極為精巧和完善的信息處理系統，是人體內外環境信息獲得、存儲、處理、加工和整合的中樞。
由於人腦的結構和功能極其複雜，需要從分子、細胞、系統、全腦和行為等不同層次進行研究和整合，才有可能揭示其奧秘。為此，世界各國投入了大量的人力和財力進行專門研究，美國把九十年代最後十年定為“腦的十年”，歐洲確定了“腦的二十年研究計畫”，日本將21世紀視為“腦科學世紀”，腦科學的研究熱潮遍布全球。科學家們提出了“認識腦、保護腦、創造腦”三大目標，人們相信腦科學的研究成果將為人類更好地了解自己、保護自己、防治腦疾病和開發大腦潛能等方面做出重要的貢獻，“了解大腦、認識自身”是21世紀的科學面臨的最大挑戰。
研究項目
人類腦計畫正在進行的項目包括：神經元（突觸、受體、離子通道等），神經網路模型，腦解剖圖譜、功能圖像等。受體和離子通道的資料庫直接與人類基因和蛋白質序列庫相連結，具有一致的數據格式，同時還提供可能的立體結構。在人類腦計畫中項目組最多的要數腦功能圖像方面，包括fMRI，PET，腦地形圖等。美國人類腦計畫包括在實驗數據的基礎上發展腦結構、功能、整合和分析的理論模型和仿真計算。
神經元活動的測量
人類大腦計畫人類大腦計畫
若研究人員想搞清楚流過大腦迴路的電子信號，他們就需要同時記錄儘可能多的神經元活動。
21世紀，研究人員主要通過在大腦中植入金屬電極的方法來監測神經元活動。但這種做法伴隨著巨大的挑戰：每個電極都需要連線電線來測量模擬信號，但是這種信號在傳輸過程中很容易丟失或失真。此外，這些電線必須細如髮絲以避免組織損傷。經歷50年的發展，電極技術的發展令我們可以同時記錄數百個神經元的活動。但它們還需要繼續挑戰，捕捉並記錄更高質量的信號。由矽製成的新一代極致小型化神經探索裝置的問世，使這一切成為可能。這類神經探索裝置的前身於今年2月在美國加州舊金山市舉行的國際固態電路會議上亮相。它只有1厘米長，如紙幣那么薄。當它被插入到小鼠的大腦中時，IMEC裝置上的電極能夠同時在老鼠的所有大腦皮層上記錄信息。這可以幫助神經科學家拆分大腦中的複雜電路。Imec生物和納電子學主管PeterPeumans表示，3年內神經探索裝置將擁有更多的電極和電線。
除了測量神經迴路的電活動，研究人員還希望刺激相應的神經元以觀察它們的反應。目前每個IMEC的探頭包括四個刺激電極，但是信號記錄和刺激施加的過程會互相干擾，因此研究人員也嘗試利用光刺激取代電刺激。一個研究小組最近在小鼠身上使用光學技術，使之產生重複行為，形成強迫症模型。
下一代的光學神經探針將不再需要光線傳導，直接將光定位在研究需要的大腦位置。例如今年4月，華盛頓大學的MichaelBruchas提出了這種無線模型：光子基因晶片結合發光二極體，可以被無線電信號激發，從而定位在視蛋白上。未來有可能帶來更先進的方法，一些科學家們提出了納米水平上的的感光器件，可以埋在神經元膜下並以細胞能量和大量神經元活動能量為動力。
還有一種思路不需要利用測試設備，而是捕捉腦電活動留下的痕跡。Kording和他所在的團隊正在利用DNA聚合酶來實現這一點。他和他的同事們設計了一種人工合成的DNA聚合酶，當被周圍高濃度鈣包圍時，就會在這種酶構建的DNA鏈上插入錯誤的鹼基。如果將此聚合酶添加到神經元，當動作電位導致細胞內鈣的水平上升時，DNA鏈編碼就會出現錯誤。之後再根據DNA的長度和序列追溯電位活動。但這一技術才剛剛起步。
繪製映射圖譜
研究人員一直在收集有關神經元活動和電路的信息，這都是為了繪製一份可靠的高度詳細的大腦解剖圖。
一個多世紀以來，繪製大腦解剖圖都是將大腦切成儘可能薄的切片，並在光學顯微鏡下觀察這些切片。但是將這些數量驚人切片有序排列對齊，還是非常不易的。
即便如此，德國尤利希研究中心的KatrinAmunts和她的團隊仍然完成了這項工作，前所未有地展示了人類大腦的細節。他們將一名65歲婦女的大腦分割成7400層20微米厚的切片、染色、成像，然後用兩個超級計算機經1000小時將數據拼湊起來。整個工程用了10年。
哈佛大學的JeffLichtman和德國馬克斯普朗克神經生物研究所的WinfriedDenk目前正在使用一種新的電子顯微鏡，這種顯微鏡可以繪製更薄的大腦切片。使用常規的電子顯微鏡，每次掃描只能構建立方毫米的腦組織，因此要花上幾十年才能完成整個腦部的掃描，新的顯微鏡，可以將這一過程縮短到幾個月。但他們未解決的是如何將這些局部圖像重建成一個完整的三維圖像。在一個研究項目中，使用傳統的電子顯微鏡，拼接很小的老鼠的視網膜數據，居然動用了230人。Denk認為開發新的計算機算法是當務之急。
現在有很多簡單的方法繪製粗略的大腦解剖圖。4月亮相的新技術CLARITY——用透明凝膠取代在大腦中的不透明脂質，通過這種方法觀察神經元而不需要切片。
大腦數據的處理
人腦研究最大的挑戰在於弄清大腦存儲與處理數據的方式。Lichtman和Denk發現，1立方毫米的腦組織便可以處理2000太位元組。Denk估計，一個完整的老鼠大腦可以產生60拍位元組的信息，而人類的大腦則可以處理200艾位元組的信息。這個數據量可以與許多大型數據儲相媲美。
而這一切僅僅是個開始。神經科學家最終要收集每個人都獨一無二的大腦解剖信息，並分析其背後的神經活動。他們需要儲存並系統化地組織這些多樣化的數據模式，以便更深入探索大腦的奧秘。
歐洲的人腦計畫旨在提供一個模擬大腦，使研究者可以實時地與它互動，這就增加了另一個層面的需求。人腦計畫合作者之一、西班牙巴塞隆納超級計算中心的JesusLabartaMancho說：“我們面臨的挑戰之一便是開發一種計算機語言，以便更高效地利用超級電腦。”以目前的設備來進行人腦計畫，超級計算機將不堪重負。
但美國紐約冷泉港實驗室的生物數學家ParthaMitra認為，認知大腦的更大挑戰來自社會。“追蹤大腦的工作原理與追蹤希格斯玻色子不同，每一個希格斯玻色子都會跟著同一個單獨目標移動。就比如團隊中的每個個體在設立團隊目標時會暢所欲言，一旦目標設立完畢，便會嚴格自律，共同完成團體目標。”
學科建立
人類大腦計畫人類大腦計畫
1970年至2000年的30年間，美國神經科學學會的會員人數增長了近30倍，2000年達到28，000人左右，每年年會的論文摘要增長了近100倍，2000年已達到15，000篇左右，遍布神經科學研究的各個領域。以往有關腦的研究包括神經解剖、神經生理、神經病理、神經生化、神經免疫、神經電生理、神經心理等，已經獲得了大量有關動物腦和人腦的實驗數據和研究結果。近年來分子神經生物學研究從基因水平來揭示人腦的奧秘，先進的基因晶片技術在每秒鐘就可以得到大量的實驗數據。腦功能成像（fMRI、PET等）的套用使我們能夠從活體和整體水平來研究腦，好比窺探腦的視窗，可以在無創傷條件下了解到人的思維、行為活動時腦的功能活動。這些新方法、新技術極大增強了我們從微觀與巨觀兩個水平上進行腦研究的能力，同時也產生了海量的實驗數據。沒有哪個科學家、實驗室能夠掌握所有的信息並獨立地進行腦的全面研究。
面對這樣的信息爆炸，新的需要產生新的學科，新的模式產生新的突破。神經科學家面臨的重要問題之一，就是能否靈活有效地管理數據，最大限度地利用實驗數據，減少不必要的重複性研究和人力、物力的浪費。
計算機和信息技術的飛速發展為我們提供了解決方案，信息工具的套用為我們解決這一問題創造了條件。所以，建立全球神經信息資料庫和神經信息電子網路，已經迫在眉睫。神經科學家和信息學家都在呼籲，應加強神經科學和信息學的合作和相互滲透，採用一種新的研究模式，即實驗數據→數學理論→計算機模擬和預測→生物學實驗驗證→數學模型與驗證後的理論，往往可以達到事半功倍的作用，大大加快腦的研究進程。
20世紀末，Nature、Science、TrendsinNeuroscience等著名學術期刊對人類腦計畫與神經信息學紛紛進行了報導。他們認為人類腦計畫比基因組計畫更大，囊括了更加廣泛的內容，是一項更加偉大的工程。
1996年，以美國為首的神經信息學工作組建立，其目的是組織和協調全世界神經科學和信息學家共同研究腦、開發腦、保護腦和創造腦。根據規定，成員國之間可利用電子網路尋求研究協作夥伴，進行數據交換和科研協作，可以免費使用通用神經信息學資料庫和信息工具，承擔科研任務，同享科研成果和腦研究資源。
2001年7月，唐一源教授應美國國立衛生研究院神經信息學部主任、全球人類腦計畫負責人考斯陸博士的邀請，訪問美國NIH人類腦計畫與神經信息學總部，並做專題報告“中華人類腦計畫與神經信息學的進展”，使考斯陸博士及美國其他科學家認識到中國的實力和決心。於是考斯陸博士發出專函：“同意中國唐一源、唐孝威和尹嶺博士參加始建於2000年的經濟合作與發展全球科學論壇神經信息學工作組”。考斯陸博士認為中國專家參加這一活動具有極其重要的意義，這將有助於中國在這一領域的研究與國際發展保持同步，中國的參與將會對全球神經信息學的形成和發展產生重大影響。
2001年10月4—5日，我國科學家赴瑞典參加了人類腦計畫的第四次工作會議，成為參加此計畫的第20個成員國。中國科學家表示，要積極配合國際神經信息網路及資料庫，建立中國獨特的神經信息平台、電子網路和信息資料庫，才能在合作中不受制於人，更好地和國外科學家協作，共享科研成果和國際資源。
中國發展
許多科學家認為，中國的神經信息學的總體研究水平落後於已開發國家，21世紀初的10年是神經信息學快速發展的階段，也是競爭性最強的階段。我們加入越晚，失去的機會就越多，造成的損失就越大。由於我們沒有足夠的時間和財力去開發研製自己的資料庫和信息工具，即使研製出來，也得不到國際上的承認，難以與國際接軌。如果購買或租用國外的信息工具，不但造成經濟損失，而且中國在這方面的研究會永遠處於被動狀態。
同時，神經科學研究日益深入和專業化，幾乎沒有哪一個科研人員能夠精通腦科學的全部領域。顯然，以往通過發表論文或參加會議來進行學術交流的形式已嚴重製約了科研思路和成果的產生。而國際人類腦計畫中的神經信息電子網路可以為研究人員提供信息交流的快速工具，成員國的科學家可以利用神經信息電子網路進行數據交換、分析、整合、建模等工作。參加國際的合作會極大促進國內有關工作的進行。不過，所有這一切都必須有一個大前提———加入國際性神經信息合作組織，參加國際人類腦計畫的研究工作。
在人類基因組計畫這個宏偉的全球性科研大計畫中，中國科學家經過艱苦卓絕的努力，克服了重重困難，爭取到1%的測序任務。然而，就是這1%產生了巨大的政治和經濟效益，再一次向世界宣告，中國科學家具有做出世界一流科研成果的能力，使中國躋身於人類基因組計畫的行列，站到了這一研究領域的前沿，並理所當然地分享人類基因組計畫的研究成果。
唐一源教授與美國NIH神經信息學部主任、國際人類腦計畫與神經信息學工作組織總負責人考斯陸博士一直保持著緊密的聯繫。經過持續不懈的努力，考斯陸博士終於同意唐一源教授作為特邀代表，首次參加在日本理化研究所舉行的“全球科學論壇神經信息學工作組”第三次會議。唐一源教授在這次會議上，首次向全世界19個國家的代表介紹了中國在本領域的工作，引起強烈反響。同時應邀訪問美國幾個重要的“人類腦計畫與神經信息學”研究基地，與負責人廣泛交流探討，探索國際合作研究項目，參與人類腦計畫。此舉使考斯陸博士及美國其他科學家認識到中國的實力和決心，於是考斯陸博士發出專函：“同意中國唐一源、唐孝威和尹嶺博士參加始建於2000年的經濟合作與發展全球科學論壇神經信息學工作組”。考斯陸博士認為中國專家參加這一活動具有極其重要的意義，這將有助於中國在這一領域的研究與國際發展保持同步，中國的參與將會對全球神經信息學的形成和發展產生重大影響。
考斯陸博士應唐一源教授邀請訪問中國，在大連理工大學、解放軍301醫院、168次香山科學會議分別做了“人類腦計畫及其資助機會”的科學報告，引起強烈反響。同時國家自然基金委、科技部等有關部門的領導非常重視和關注人類腦計畫與神經信息在國內的發展，分別會見了考斯陸博士並進行了友好協商，支持中國參與全球人類腦計畫。在國家科技部、自然基金委、301醫院、大連理工大學、浙江大學、中國科學院等單位領導的支持下，經國內本領域科學家的共同努力，2001年9月，中國正式成為參與人類腦計畫與神經信息學研究的第20個國家，意味著中國在這一研究領域已經和國際接軌。
憑特色加入計畫在國家自然科學基金委和科技部的大力支持下，我國腦科學在基礎和臨床研究方面取得了不少科研成果，在某些領域達到了國際先進水平。解放軍301醫院、大連理工大學、浙江大學、中科院等單位積極參與並組織關於中華人類腦計畫和神經信息學的工作，在近一年中，先後召開了兩次“中華人類腦計畫和神經信息學”的專家研討會，專家們就許多關鍵的問題進行了深入探討。今年9月，由國內40餘位神經、化學、數學、信息等方面的專家會聚香山，召開了題為“人類腦計畫與神經信息學”的第168次香山科學會議，專家們認真討論了國內外腦研究的狀況、我們如何應對國際形勢等問題，一個關鍵性的問題已逐漸明朗———憑中國特色加入國際人類腦計畫。
在美國人類腦計畫的資助下，美國各相關科研機構已初步匯集和建立了各種神經信息資料庫和信息處理工具，並正與超級計算機中心、歐洲聯盟等聯網合作，建立全球神經信息工作平台，該系統有數據質量控制的標準和規定，也有一系列數據檢索、分析、整合、建模等工具。目前人類腦計畫開展的國際大合作，使用通用資料庫，統一格式、統一標準，將腦的結構和功能、微觀和巨觀的研究結果聯繫起來，繪製出健康和疾病狀態下腦的功能、結構、神經網路、細胞和分子生物學的“圖譜”。成員國的科學家們可以在資料庫中進行搜尋、比較、分析和整合，並進行數學模擬和仿真計算，這將十分有利於理論假設的形成和研究者之間的電子合作，也可以避免不必要的重複性研究。
中國專家在深入探討、反覆論證後，大家普遍認為，在浩大的人類腦計畫中，中國不可能處處涉足，必須發揮自己的長處，利用我們人類腦資源豐富和計算機信息學研究方面的一定優勢，在具有中國特色的傳統醫學（如針刺等）、漢語認知與特殊感知覺的神經信息學研究等領域深入開展工作。將具有中國特色的人類腦計畫和神經信息學研究項目加入全球人類腦計畫之中，建立中國獨特的神經信息平台、電子網路和信息資料庫，才能在合作中不受制於人，更好地和國外科學家協作，共享科研成果和國際資源。
開展中國特色的人類腦計畫與神經信息學研究，無疑將大大加深人類對大腦的認識和自身的認識。可以預料，像人類基因組計畫一樣，在國家的支持下，引進新的科研協作和風險投資運行模式，通過國內本領域的專家齊心協力、聯合攻關，以開放的新模式吸納社會資源，從研究、產業等幾個方面同時啟動，必將會極大推動人類對自身的認識，造福全人類。
入選2013十大科技新聞
2014年第一期《環球科學》雜誌，邀請科學家經過數輪討論，評選出了2013年注定會記錄史冊、對人類社會影響最為深遠的十大科技新聞。其中，“大腦計畫”啟動名列榜首。其入選理由為：人類基因組計畫後最宏大的研究項目。理解大腦的運轉機制，是人類與科學面臨的最偉大的挑戰之一。兩個巨觀“大腦計畫”的推出，將極大推動神經科學領域研究技術的創新與發展，因此被譽為人類基因組計畫後最宏大的研究項目。“大腦計畫”的成果獎有助於人類徹底理解大腦的運行方式，進而闡明意識的發生、思維過程等一系列科學謎題，也為阿爾茨海默病、帕金森病等大腦疾病的治療奠定堅實基礎。
