推進創新神經技術腦研究計畫

概述

2013年4月2日，美國正式公布腦科研計畫，以探索人類大腦

工作機制、繪製腦活動全圖，並最終開發出針對大腦不治之症的療法。業內專家認為，這項計畫的意義可與人類基因組計畫相媲美。
這項計畫全稱為“推進創新神經技術腦研究計畫”，簡稱“腦計畫”，其啟動資金達1億多美元，分別由美國國家衛生研究院、國防部高級研究項目局、國家科學基金會提供。美國國家衛生研究院將成立由洛克菲勒大學教授巴格曼、史丹福大學教授紐瑟姆擔任聯合主席的高層級工作組，確定計畫的詳細科研目標，制訂計畫的時間表、重要節點，評估成本以及開展相關倫理研究。
除聯邦機構外，霍華德·休斯醫學研究所、艾倫腦科學研究所、索爾克生物研究所等私營、民間機構及個人也將參與該計畫。科學家們將一道推進對人類大腦近千億神經元的理解，加深對感知、行為和意識的研究。該計畫將有助於加深阿爾茨海默氏症、帕金森氏症等疾病的理解，並最終找到一系列神經疾病的新療法。這一計畫也有望為人工智慧領域的進展鋪平道路。
雖然“腦計畫”獲得的聯邦資助遠低於人類基因組計畫，但歐巴馬政府的決定仍受到科學家的歡迎。紐瑟姆說：“只要計畫開始方向正確，科學家們依靠少量資金就能帶領神經科學取得全新進展。這項研究將會促進科學研究者思維模式的變化。”

計畫由來

2011年9月，科維理基金會、艾倫腦科學研究所和蓋茨基金會共同

贊助了一個在英國召開的會議，主持個人基因組項目的是哈佛大學分子遺傳學家喬治·丘奇和哥倫比亞大學神經科學家拉斐爾·尤斯特。他們提議通過廣泛、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線活動，最終達到可以測量單個神經元活動的水平。
這項提議引起軒然大波。儘管一些與會者持懷疑態度，但提議引發了足夠的熱情，從而形成了一本白皮書。科維理基金會科學項目副主席全美英（音）等人於2011年12月與美國國家衛生研究院、國防部高級研究項目局、白宮科技政策辦公室等舉行一系列會議推廣這一計畫。
2012年1月，推進該計畫的良好勢頭在加利福尼亞州召開的第6屆科維理未來研討會上得以延續。接著，一篇發表在《神經》雜誌的論文充實了計畫的研究目標和細節，並說明主要集中於動物研究。2012年7月，隨著白宮科技政策辦公室提出該計畫要像人類基因組計畫那樣在科技領域具有重大挑戰性的要求，全美英以及其他《神經》雜誌論文的合著者與聯邦機構的官員一道，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。

研究目標

“我們在人類基因組繪圖中每投入1美元，就會給我們的經濟帶來1

40美元的回報，”歐巴馬說，“今天，我們的科學家為大腦繪圖，以揭開阿爾茨海默氏症的答案。他們正開發能修復受損器官的藥物，設計可以將電池效能提高10倍的新材料。此時不能在科學和創新領域破壞這些能創造就業的投資。”
人類基因組計畫啟動於1990年，其目標是繪製人類基因組圖譜。在2003年4月提前完成時，這項計畫共耗資38億美元。

與歐盟人腦研工程區別

美國的“推進創新神經技術腦研究計畫”與歐盟的人腦工程有很大不同，

後者提出在巨型計算機上對人腦建模，而建模所需的數據可以來自美國“腦計畫”，兩者可以互為補充。
人腦工程提供的是一種對人腦的計算機模擬。而“腦計畫”則主要針對於模型生物大腦神經迴路的實驗性測量。

研究現狀

目前，從事“推進創新神經技術腦研究計畫”的科學家不了解任何一個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。儘管目前人類對單個神經元有了不少了解，但對於小神經元網路工作機制知之甚少。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。
目前，我們已經可以通過功能磁共振成像（fMRI）等方法在低分辨度情況下記錄大腦。依據需測量的內容，我們通常可以同時記錄十幾個神經元，最多的時候可以記錄1200個。

具體實施

研發重點

推進創新神經技術腦研究計畫首先是一種新技術，然後會變為對複雜多維的大腦活動的記錄。此後，這項計畫將對涉及對此前研究結果的建模。屆時，將嘗試在前人從未達到的大腦研究層面分析這些數據。
儘管推進創新神經技術腦研究計畫的詳細方案尚不明晰，但可以肯定的是，“計畫”的核心內容是新技術的發展、套用，可以記錄來自大量大腦細胞的數據。而這些是了解大腦工作機制的基本信息。
研發新技術和新工具是這項計畫的重點。一個趨勢是都認識到需要研發新的工具。在過去10年內，神經科學研發出了很多新工具。

技術與方法

推進創新神經技術腦研究計畫套用的技術方法可能通過光學方法獲取多種成像類型的大量數據，但也可能會運用納米技術的構想。當然也可能會包括電子探針技術、光學探針技術，光遺傳學、功能化納米粒子技術、合成生物學技術等。
通常來說，成像技術和電子物理學技術是記錄神經元信息的兩種途徑，兩種途徑各有優劣。
推進創新神經技術腦研究計畫高層級工作組聯繫主席說，由於新的光學成像工具和平行電極陣列等工具以及其他新工具的研發，讓我們具備做更多事情的潛能。此外，fMRI是一個關鍵的工具，這是一個有關規模和解析度的問題。

國際合作

全球合作對於這一項目非常重要。中國在納米科學研究領域的成就非常突出。科學家們希望向全世界開放數據，建立一個向全球開放的資料庫。由數學和計算機科學領域的科研人員幫助進行數據管理。就像基因工程一樣，我們需要組織、儲存和注釋數據的方法和途徑。事實上，在計畫開始階段，我們已開始在各地研究機構和社群中開展合作。“推進創新神經技術腦研究計畫”也有很多中國科學家參與。

研究進展

這項計畫首先是一種新技術，然後會變為對複雜多維的大腦活動的記錄。此後，這項計畫將涉及對此前研究結果的建模。屆時，將嘗試在前人從未達到的大腦研究層面分析這些數據。
儘管關於推進創新神經技術腦研究計畫的詳細方案尚不明晰，但可以肯定的是，“腦計畫”的核心內容是新技術的發展、套用，這讓我們可以記錄來自大量大腦細胞的數據。而這些是了解大腦工作機制的基本信息。
專家認為，現在尚不知道這個問題的確切答案，如何開展這項計畫，還沒有統一的意見。其中，研發新技術和新工具是這項計畫的重點。一個趨勢是我們都認識到需要研發新的工具。在過去10年內，神經科學研發出了很多新工具。