主講人：歐利弗

模擬人腦，超越人腦

主講人：歐利弗

（一）

我今天跟大家介紹一下歐洲的 “人類(lèi)大腦計(jì)劃”，這個(gè)為期十年、旨在了解人類(lèi)大腦的研究項(xiàng)目去年就開(kāi)始了，資金來(lái)自于歐盟委員會(huì)，準(zhǔn)備斥資10億歐元。

在了解大腦的過(guò)程中，我們最大的挑戰(zhàn)是參與這項(xiàng)計(jì)劃的這些科學(xué)家的大腦相互之間需要了解，這是非常具有挑戰(zhàn)的工作。

我們的人類(lèi)大腦計(jì)劃要做什么呢？有三個(gè)概念。第一個(gè)是未來(lái)的神經(jīng)科學(xué)，基本的思想就是我們現(xiàn)有的關(guān)于大腦的知識(shí)融入到計(jì)算機(jī)模擬當(dāng)中去；第二個(gè)是醫(yī)學(xué)的未來(lái)，我們希望能夠從癥狀的治療跨越到病因的治療，在峰值水平進(jìn)行腦疾病的治療，這就要求我們整合神經(jīng)科學(xué)的知識(shí)，第三個(gè)是很多人關(guān)注的領(lǐng)域，即我們是不是可以從大腦中學(xué)習(xí)建造更好的計(jì)算機(jī)，這個(gè)計(jì)算機(jī)并不一定要比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)更智能，但我們希望將來(lái)的計(jì)算機(jī)更小更節(jié)能。

拿現(xiàn)在的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，耗電非常大，它需要有500兆伏的電源來(lái)運(yùn)行，而且它體積過(guò)大，把整個(gè)房間占滿(mǎn)了。如果大家手上都有一個(gè)小的計(jì)算機(jī)，只要 20瓦的能量，而且有同樣的計(jì)算能力，很多公司一定非常感興趣。構(gòu)建一個(gè)非常小而節(jié)能的計(jì)算機(jī)，就像我們的大腦一樣的計(jì)算機(jī)。歐洲腦計(jì)劃的核心就是把計(jì)算機(jī)整合到模擬里面去。

歐利弗

（二）

我們現(xiàn)在把時(shí)間回到500年之前，那個(gè)時(shí)候，人們想把所有的關(guān)于地球的知識(shí)整合起來(lái)，那個(gè)時(shí)候的目標(biāo)就是建立第一個(gè)地球儀。那時(shí)能做到的就是將所有的水手搜集起來(lái)的地圖整合起來(lái)，做成一個(gè)地球儀。

大家如果了解的話(huà)，在1494年的時(shí)候，美洲大洲還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，500年以后，我們現(xiàn)在有“Google地球”這個(gè)項(xiàng)目，它可以讓我們非常詳細(xì)地了解地球。

我手上的這個(gè)地球模型能夠告訴我們地球的哪些地方是我們還不知道的，這一點(diǎn)對(duì)于指導(dǎo)未來(lái)的研究非常重要。在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域里面，我們現(xiàn)在對(duì)于大腦還沒(méi)有形成全球一致性的，大家統(tǒng)一的大腦圖。

可以想象一下，在以前做這個(gè)全球地圖的時(shí)候，人們?cè)L問(wèn)過(guò)了非洲、訪(fǎng)問(wèn)過(guò)了歐洲，那時(shí)候把所有關(guān)于地球的知識(shí)綜合起來(lái)，建立了地球圖。今天我們?nèi)祟?lèi)大腦計(jì)劃，也是與之比較類(lèi)似的，我們需要形成一個(gè)關(guān)于我們大腦的統(tǒng)一的知識(shí)，為此要把現(xiàn)在關(guān)于大腦的所有的知識(shí)綜合起來(lái)，就像我們 500年之前要 把所有的地圖整合起來(lái)一樣。

在我們建立這個(gè)模型的時(shí)候，我們必須要了解到手里數(shù)據(jù)的質(zhì)量，可以想象一下，第一個(gè)地球儀制成500年后的今天關(guān)于地球的地圖，我們還沒(méi)有完全徹底了解，仍然在不斷地進(jìn)展中。因此，我們對(duì)于大腦計(jì)劃，首先必須要知道還有哪些數(shù)據(jù)要獲得。

我們現(xiàn)在做的數(shù)據(jù)，往往都是用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得來(lái)的，都是以動(dòng)物的犧牲來(lái)的。當(dāng)然我們是希望能夠進(jìn)行更好的研究，來(lái)降低動(dòng)物的使用。最后，我們形成了這個(gè)知識(shí)的整合以后，就是想要知道下一步我們應(yīng)該做什么。

（三）

所以，在我們的人類(lèi)大腦計(jì)劃里面，最重要的就是形成一個(gè)關(guān)于大腦的統(tǒng)一的模型，也就是說(shuō)把我們關(guān)于大腦的所有來(lái)自神經(jīng)科學(xué)一線(xiàn)的數(shù)據(jù)整合起來(lái)形成一個(gè)模型。

首先是關(guān)于大鼠和關(guān)于小鼠大腦的神經(jīng)數(shù)據(jù)，這方面有很多的研究。同時(shí)，這個(gè)模型能夠告訴我們今后可以做什么實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這些數(shù)據(jù)。這個(gè)項(xiàng)目的第二個(gè)階段就是要專(zhuān)注于人的大腦進(jìn)行研究。

我們這個(gè)大腦研究項(xiàng)目和其他大腦研究項(xiàng)目的差別在于，我們專(zhuān)注的是機(jī)器，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成模型，不管是什么樣的動(dòng)物，都可以用這個(gè)模型，當(dāng)然小鼠這樣的模型需要的數(shù)據(jù)更少一點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊拇竽X沒(méi)有那么復(fù)雜。

這些大腦模型，不僅是建立在靜態(tài)神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)上，也是建立在行為認(rèn)知的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上。在這個(gè)模型里面，我們會(huì)有一些行為的數(shù)據(jù)，同時(shí)這個(gè)模型還能預(yù)測(cè)在模型里做修改的話(huà)，會(huì)產(chǎn)生什么樣的行為。也就是說(shuō)，這個(gè)模型能夠預(yù)測(cè)一些結(jié)果，對(duì)這些結(jié)果我們將來(lái)可以做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)出來(lái)以后，可以進(jìn)一步改進(jìn)模型。

我們會(huì)得到未來(lái)計(jì)算科學(xué)的一個(gè)模型。我們不僅僅可以從大腦當(dāng)中提取出計(jì)算的一些規(guī)律，幫助我們?cè)O(shè)計(jì)未來(lái)的計(jì)算機(jī)，同時(shí)也可以幫助我們更好地改進(jìn)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，可以使得現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)更好地幫助理解大腦的工作方式。

我們下一步的想法是可以把世界各大醫(yī)院的關(guān)于人類(lèi)大腦的數(shù)據(jù)搜集起來(lái)，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)，是怎么樣在不侵犯患者私人隱私的情況之下，把這些大腦的信息搜集起來(lái)。

這當(dāng)中每一個(gè)部分，都是相對(duì)應(yīng)人類(lèi)大腦計(jì)劃的一個(gè)平臺(tái)，比如說(shuō)我們有一個(gè)大腦模擬平臺(tái)，它相當(dāng)于一個(gè)通道，在這個(gè)平臺(tái)上可以對(duì)人類(lèi)大腦進(jìn)行模擬，這個(gè)模擬是在高性能的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行的。除此之外，我們還有醫(yī)學(xué)以及神經(jīng)信息學(xué)這樣一個(gè)平臺(tái)，主要涉及的是怎么樣把不同渠道的信息搜集起來(lái)。

我們還有另外一個(gè)平臺(tái)叫做神經(jīng)機(jī)器人學(xué)，它主要研究的方向是人類(lèi)身體不同組成部分之間連接的情況。我們不僅僅要了解人類(lèi)的大腦，同時(shí)，也要去了解與人類(lèi)大腦相連接的身體組成部分，就像古希臘和古羅馬人所說(shuō)的，只有一個(gè)健康的心靈，沒(méi)有強(qiáng)壯的體魄是不夠的，我們必須去研究健康的體魄。

（四）

介紹一下瑞士洛桑在這方面的研究，我們對(duì)大腦新皮層的回路做了一個(gè)研究。大腦皮層包含了數(shù)量極其巨大的神經(jīng)元。我們計(jì)劃對(duì)所有的神經(jīng)元進(jìn)行掃描，然后在大腦當(dāng)中進(jìn)行一個(gè)再現(xiàn)，在三維空間當(dāng)中進(jìn)行一個(gè)電腦三維再構(gòu)建。

從電子顯微鏡下所展示的神經(jīng)元的情況看，人腦對(duì)信息的傳遞和接收的速度是非?？斓?，而且在每一個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞當(dāng)中，可以看到有不同的電子信號(hào)傳遞的行為。

我剛剛所說(shuō)的只是冰山一角，可以看到在我們?nèi)祟?lèi)的大腦當(dāng)中，沒(méi)有任何空白的區(qū)域，有些人說(shuō)我們?nèi)祟?lèi)只是利用了大腦一部分的區(qū)域，其實(shí)不然，這句話(huà)完全是無(wú)稽之談。

·現(xiàn)場(chǎng)提問(wèn)選登·

江世亮：腦科學(xué)計(jì)劃比當(dāng)年的人類(lèi)基因組計(jì)劃要更復(fù)雜，90年代初，動(dòng)用了國(guó)際合作的模式，經(jīng)過(guò)十年多的時(shí)間，終于把人類(lèi)基因組的整個(gè)圖譜搞出來(lái)了，當(dāng)時(shí)中國(guó)也參加了?，F(xiàn)在的人腦計(jì)劃是更

通過(guò)我們計(jì)算機(jī)的模擬，可以看到不同的神經(jīng)元之間溝通的結(jié)果，有成千上萬(wàn)的神經(jīng)元和另外的成千上萬(wàn)的神經(jīng)元進(jìn)行了非常復(fù)雜的傳遞對(duì)接。

為了得到這個(gè)研究結(jié)果，我們?cè)诔?jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了整整一天，而截取的范圍橫向只是對(duì)應(yīng)于大腦當(dāng)中的一毫米，縱向也僅為二毫米，這么小的一個(gè)范圍要在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行整整一天，更不用說(shuō)整個(gè)大腦的范圍。

首先我們要應(yīng)對(duì)怎么來(lái)處理這么大規(guī)模的數(shù)據(jù)，我們可以考慮的一點(diǎn)，可以把我們的數(shù)據(jù)變成一個(gè)模型。初步建立的模型可能不是很準(zhǔn)確，但隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)量的增加，可以對(duì)這些已建成的模型進(jìn)行修正，這樣的話(huà)，可以使我們的模型變得更好。

我們目前已對(duì)實(shí)驗(yàn)室的小鼠做當(dāng)中的 7 500萬(wàn)的神經(jīng)元作了研究，我們依據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中所截取的數(shù)據(jù)建立起一個(gè)老鼠大腦的三維模擬。我們對(duì)單個(gè)的皮質(zhì)區(qū)進(jìn)行了研究，把它推廣之后，可以對(duì)整個(gè)老鼠的大腦進(jìn)行3D的再現(xiàn)和模擬。

下一步我們要圍繞這樣一個(gè)大腦的模型建立一個(gè)虛擬的3D老鼠，這樣的話(huà)，就可以更好地了解到老鼠的大腦怎么樣跟它的身體進(jìn)行一個(gè)互動(dòng)。我們對(duì)虛擬小白鼠的大腦進(jìn)行觸發(fā)之后，可以看到它可以做出類(lèi)似舞蹈的動(dòng)作，對(duì)它的左腿進(jìn)行敲擊時(shí)，它的右大腦被觸發(fā)，這實(shí)際上跟人腦的工作原理是一樣的。

最后我想對(duì)演講做一個(gè)總結(jié)。第一步，我們可以通過(guò)模擬對(duì)模型進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)化，下一步要從模擬變成機(jī)器人。怎么樣通過(guò)我們的研究結(jié)果得到一些啟發(fā)，怎么樣在機(jī)器人上面作出一些新的研發(fā)，包括怎么樣把人類(lèi)肌肉鍵考慮進(jìn)去，是我們下一步研究的方向。復(fù)雜的一個(gè)計(jì)劃，現(xiàn)在聽(tīng)過(guò)有美國(guó)的腦計(jì)劃、歐洲的腦計(jì)劃、日本的腦計(jì)劃，今天知道，中國(guó)也在積極籌劃自己的腦計(jì)劃，是不是能參照當(dāng)年的人類(lèi)基因組計(jì)劃，形成合力，為什么不能沿用原來(lái)成功的模式呢？

還有一個(gè)問(wèn)題，想問(wèn)蒲慕明教授，您剛才提到中國(guó)的腦科學(xué)，將會(huì)重點(diǎn)聚焦在腦的工作原理和腦的重大疾病上。我在一年前聽(tīng)講中科院有一個(gè)腦的先導(dǎo)計(jì)劃，主要針對(duì)中國(guó)人群腦的重大疾病，包括癲癇、癡呆癥等，今天您講的中國(guó)腦計(jì)劃，是不是意味著中科院的計(jì)劃已上升到國(guó)家的計(jì)劃？

歐利弗：回答您第一個(gè)問(wèn)題。我們?cè)跉W洲開(kāi)展的腦科學(xué)研究有幾百個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合作，而且不僅僅在歐洲內(nèi)部進(jìn)行合作，我們還跟美國(guó)、日本和中國(guó)的同行進(jìn)行了合作。我覺(jué)得背后的理念，我們所有國(guó)家的這些腦研究的計(jì)劃都是合作的一部分。 奧巴馬總統(tǒng)當(dāng)時(shí)宣布大腦計(jì)劃的時(shí)候，他強(qiáng)烈地倡議說(shuō)，我們希望能夠在不同的國(guó)家的腦研究計(jì)劃之間進(jìn)行協(xié)調(diào)。如果仔細(xì)看一下，可以看到歐洲和美國(guó)的兩個(gè)人類(lèi)大腦研究計(jì)劃之間的互補(bǔ)性是非常強(qiáng)的，這是非?？上驳囊粋€(gè)現(xiàn)象，而且美國(guó)的計(jì)劃是稍稍遲于歐洲計(jì)劃宣布的。

就像500年前大航海時(shí)代的情況，如果要進(jìn)行大航海要經(jīng)過(guò)精心的準(zhǔn)備，今天我們這些腦科學(xué)項(xiàng)目相當(dāng)于大航海，我們需要精心的準(zhǔn)備，要花很多的心思選擇研究的方 向。同樣的道理，中國(guó)的腦研究計(jì)劃，我想肯定跟日本的計(jì)劃有異曲同工之處，專(zhuān)注于專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域，可以為更好的國(guó)際合作做鋪墊。

歐洲的人類(lèi)大腦計(jì)劃，是主要由歐盟進(jìn)行資金贊助的項(xiàng)目，除此之外，所有來(lái)自于世界其它國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)，也非常歡迎加入我們這樣一個(gè)人類(lèi)大腦研究的計(jì)劃，這是我們?nèi)祟?lèi)整個(gè)科學(xué)研究的重要組成部分。

你說(shuō)到的人類(lèi)基因組計(jì)劃，把它與現(xiàn)在的大腦研究計(jì)劃進(jìn)行比較是非常有意思的一件事情。人類(lèi)基因組計(jì)劃是一個(gè)線(xiàn)性的研究，其唯一的一個(gè)任務(wù)，是對(duì)人類(lèi)所有的DNA的序列進(jìn)行一個(gè)序列的排列。

當(dāng)然，隨著人類(lèi)基因組計(jì)劃的推進(jìn)，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了眾多可以演化出來(lái)的研究領(lǐng)域，盡管它主要的研究目的是要對(duì)人類(lèi)DNA的序列進(jìn)行排序。但現(xiàn)在的人類(lèi)大腦研究計(jì)劃不是那么簡(jiǎn)單，它的緯度可以多達(dá)十多倍。毫無(wú)疑問(wèn)，人類(lèi)大腦研究計(jì)劃更需要合作?？赡芪覀円軌虻玫胶芎玫娜祟?lèi)大腦研究計(jì)劃的結(jié)果，需要的不是十年的研究時(shí)間，而是上百年的時(shí)間。

蒲慕明：中科院的項(xiàng)目是研究腦功能的圖譜，實(shí)際上和美國(guó)的腦計(jì)劃非常類(lèi)似的，希望研究各種腦功能的連接是怎么產(chǎn)生的?，F(xiàn)在討論的中國(guó)腦計(jì)劃，是希望在中科院的那些比較基礎(chǔ)性的研究之上，能夠擴(kuò)展到全國(guó)各個(gè)單位，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)，都能夠參與到這個(gè)項(xiàng)目。

中國(guó)要做什么樣的腦計(jì)劃呢？大家討論后認(rèn)為我們一定要做出有中國(guó)特色的、要能夠世界領(lǐng)先的工作，也是中國(guó)希望能夠在前沿領(lǐng)域作出世界領(lǐng)先的成果。所以，要考慮到什么樣的工作，在中國(guó)可以做世界領(lǐng)先，世界領(lǐng)先實(shí)際上也就是說(shuō)能夠達(dá)到世界前沿。

腦科學(xué)的目標(biāo)是非常遙遠(yuǎn)的，理解大腦可以說(shuō)現(xiàn)在是看不到止境的，可以說(shuō)一百年都有可能看不到止境，剛才大家提出的問(wèn)題可能一百年的時(shí)間也解答不了。所以在中國(guó)資源有限的情況下，做什么樣的東西，最能夠?qū)η把赜胸暙I(xiàn)是很值得思量的。我們認(rèn)為美國(guó)的計(jì)劃注重開(kāi)發(fā)能夠了解大腦的新技術(shù)，就是非常有特色和貢獻(xiàn)的。歐盟腦計(jì)劃的特點(diǎn)是用模擬腦的技術(shù)。

在這些新技術(shù)沒(méi)有出來(lái)，或者在出來(lái)的過(guò)程中，我們中國(guó)可以更專(zhuān)注做直接跟社會(huì)比較有關(guān)的，不需要等到那些新技術(shù)全部出來(lái)之后再去關(guān)注疾病的問(wèn)題，因?yàn)榧膊〉膯?wèn)題非常迫切。如果到2050年，還不能大幅緩解腦部相關(guān)疾病的話(huà)，社會(huì)負(fù)擔(dān)是受不了的，1億的老年癡呆患者，任何社會(huì)的醫(yī)療系統(tǒng)都要崩潰的。

所以，我們?cè)跊](méi)有了解腦之前，可以有一些工作能夠提供對(duì)腦疾病的早期診斷指標(biāo)，讓我們做早期干預(yù)，在這個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)有大量的需求，我們可以在這上面有些貢獻(xiàn)。再加上中國(guó)有很大的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的資源，在猴類(lèi)上做試驗(yàn)是可以的，跟人非常相近。

我們中國(guó)在猴類(lèi)基因操作上已經(jīng)領(lǐng)先了，可以做出疾病模型，做出早期干預(yù)的試驗(yàn)，然后在人的身上能夠利用。這是中國(guó)腦計(jì)劃將來(lái)的一個(gè)希望。

[本刊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記稿整理而成，整理人：李 輝]