王東輝 吳菲菲 王圣明

【摘要】 理解大腦的工作機制是人類科學(xué)發(fā)展的終極命題，2013年歐盟和美國相繼宣布投入大量資金開展新一輪的腦研究計劃，我國也于2016年推出中國的腦研究計劃。腦科學(xué)研究不僅是當(dāng)下神經(jīng)科學(xué)的研究前沿，更是解決神經(jīng)精神疾病帶來的日益增加的社會負擔(dān)的突破口。本文總結(jié)了世界主要發(fā)達國家的腦研究計劃進展，并重點介紹我國腦計劃的布局、展開及優(yōu)勢，以期為廣大科研工作者提供最新的腦科學(xué)研究國際動向和國內(nèi)發(fā)展情況。

【關(guān)鍵詞】 腦計劃; 腦科學(xué); 類腦智能

【Abstract】 Understanding the working mechanism of the brain is the ultimate proposition for the development of human science.In 2013，the European Union and the United States announced that they had invested large funds to carry out a new round of brain research programs，and China also launched a brain research program in 2016.Brain science research is not only the frontier of neuroscience research，but also the breakthrough to solve the increasing social burden caused by neuropsychiatric diseases.This paper summarizes the progress of brain research projects in major developed countries in the world，and emphatically introduces the layout，development and advantages of brain projects in China，in order to provide the latest international and domestic development situation of brain science research for the majority of scientific researchers.

【Key words】 Brain project; Brain science; Brain-inspired intelligence

First-authors address：Department of Anatomy and K.K.Leung Brain Research Centre，the Fourth Military Medical University，Xian 710032，China

doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.07.044

腦是支配人的一切生命活動的最高中樞，也是一切思維活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，對人類大腦的研究是人類認識自身的一項終極挑戰(zhàn)。對大腦結(jié)構(gòu)和功能的深入了解不僅有重大的科學(xué)價值，同時對于神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷、治療和治愈手段的發(fā)展有著重大臨床意義。目前，神經(jīng)系統(tǒng)疾病的患病人數(shù)不斷增加，造成的社會負擔(dān)持續(xù)加重。全球疾病造成的負擔(dān)當(dāng)中，由于腦功能紊亂疾病所產(chǎn)生的負擔(dān)比重不斷加大[1]。然而，由于對腦結(jié)構(gòu)和功能缺乏全面的認識以及技術(shù)手段的制約，目前神經(jīng)系統(tǒng)疾病缺乏有效的治愈手段。為了攀登神經(jīng)科學(xué)和人工智能的科技高峰，解決當(dāng)下神經(jīng)系統(tǒng)疾病帶來的困境，各國紛紛提出各自腦研究計劃。本文對幾個主要發(fā)達國家的腦研究計劃的基本信息、研究方向以及取得的成就進行介紹，并著重闡述我國腦計劃進展情況[2]。

1 歐盟腦計劃

歐盟腦計劃—“人類腦計劃（Human Brain Project，HBP）”由歐洲委員會于2013年10月啟動，計劃為期十年。該計劃作為歐洲兩個“未來新興技術(shù)旗艦計劃”之一加以重點扶持，力圖集成多方力量，為基于信息通信技術(shù)的新型腦研究奠定基礎(chǔ)，加速腦科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化，提升歐洲腦科學(xué)的地位與競爭力[3]。該計劃的設(shè)計思路是通過建立一臺超級計算機模擬人腦的運行架構(gòu)、神經(jīng)連接機制和整合原則。其主要目標(biāo)包括：（1）建立并運行一個歐洲科學(xué)研究體系來進行腦、認知神經(jīng)科學(xué)和腦啟發(fā)科學(xué)的研究;（2）收集、建立并公布腦相關(guān)疾病的有關(guān)數(shù)據(jù);（3）腦功能模擬;（4）建立大規(guī)模的腦研究的框架理論和腦模型;（5）發(fā)展腦啟發(fā)相關(guān)的計算、數(shù)據(jù)分析和機器人;（6）確保HBP的工作負責(zé)任地展開并造福社會[4]。該計劃分為兩個階段，第一個階段稱為“起飛階段（Ramp up phase）”從2013年10月-2016年3月，該階段主要完成了6個基礎(chǔ)平臺的建設(shè)。第二個階段“實施階段（operational phase）” 原計劃于2016年4月開展，但是由于多位科學(xué)家對腦計劃發(fā)展方向的分歧以及預(yù)算的削減并未能如期進行[5]。目前，HBP處于“特殊撥款協(xié)議第二階段（Specific Grant Agreement Two）”，該階段為期兩年，時間為2018年4月-2020年4月。

HBP現(xiàn)階段的主要成就是第一階段完成的六個基礎(chǔ)平臺的建設(shè)，包括：（1）神經(jīng)信息平臺，進行神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)的登記、搜集和分析;（2）大腦模擬平臺，進行腦的結(jié)構(gòu)重建和功能模擬;（3）高性能計算平臺，運用計算和存儲設(shè)備進行復(fù)雜的功能模擬和大數(shù)據(jù)計算;（4）醫(yī)學(xué)信息學(xué)平臺，搜集病人數(shù)據(jù)來研究腦疾病的共性和差異;（5）神經(jīng)形態(tài)計算平臺，對腦的微電路進行模仿從而使電腦系統(tǒng)模擬腦的學(xué)習(xí)原則;（6）神經(jīng)機器人平臺，將腦的虛擬模型連接仿真機器人和環(huán)境，來測試其功能。這六個信息交流技術(shù)平臺能夠幫助研究人員加速在神經(jīng)科學(xué)、藥學(xué)和計算機模擬等方面的研究，提高實驗數(shù)據(jù)的共享和即時交流能力，保證研究工作快速高效并緊密配合，從而創(chuàng)造出更加精細的腦模型，實現(xiàn)更精確的腦功能模擬[6]。這些平臺同時也為全球的腦科學(xué)研究學(xué)者提供了進行廣泛合作的工具和平臺。除此之外，HBP在大鼠腦皮質(zhì)關(guān)鍵部分的數(shù)字化重建、神經(jīng)科學(xué)理論體系化、協(xié)同實驗室的建立、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)等方面都取得了重要進展。

2 Allen腦科學(xué)研究計劃

Allen腦研究所由Paul G Allen在2003年資助建立的獨立的、非營利性組織，目標(biāo)是研究正常人和腦功能紊亂患者的腦如何工作。Allen腦科學(xué)研究計劃（Allen Institute for Brain Science，AIBS）主要任務(wù)是闡明大腦皮質(zhì)的活動如何指導(dǎo)人的知覺、決策和最終行動。Allen腦研究所已經(jīng)建立了一系列大規(guī)模的研究計劃來進行腦皮質(zhì)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，他們通過對腦的構(gòu)造、運算和認知進行協(xié)同研究以加深對腦的認識[7]。

Allen腦研究所于2004年啟動的Allen腦圖譜（The Allen Brain Altas）是Allen腦計劃最突出的成果之一。Allen腦圖譜通過檢測包括鼠、人以及非人靈長類動物的腦內(nèi)不同基因的表達情況，整合腦內(nèi)基因表達以及神經(jīng)元連接的資源，建立了一個在線的開放數(shù)據(jù)庫[8]。如Allen鼠腦圖譜（Allen Mouse Brain Atlas）它展示了成年雄性小鼠大腦基因表達的3D圖譜，在分子層面上對20 000多個基因的表達位點進行詳細介紹。此外，為了開展廣泛的全球合作，Allen腦研究所提供了大量的腦科學(xué)研究相關(guān)資源，包括腦觀測平臺（Allen Brain Observatory）、細胞類型數(shù)據(jù)庫（Allen Cell Types Database）、鼠腦連接圖譜（Allen Mouse Brain Connectivity Atlas）、人腦圖譜（Allen Human Brain Atlas）、發(fā)育中的人腦跨度圖譜（Brainspan Atlas of the Developing Human Brain）、鼠腦圖譜（Allen Mouse Brain Atlas）、發(fā)育中的鼠腦圖譜（Allen Developing Mouse Brain Atlas）等多項公開的數(shù)據(jù)庫，以及大腦圖譜應(yīng)用程序接口（Allen Brain Atlas API）、軟件開發(fā)工具包（Allen Software Development Kit）等工具[9-10]。

3 美國腦計劃

1997年“人類腦計劃”在美國正式啟動，2010年美國國家衛(wèi)生研究院（National Institutes of Health，NIH）推出“人腦連接計劃”[11]。2013年4月2日，美國總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動“通過推動創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開展大腦研究計劃（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN）”計劃[12]。

該計劃初期目標(biāo)是加速創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，在時間和空間上構(gòu)建腦細胞和復(fù)雜神經(jīng)回路快速相互作用的動態(tài)圖像，最終目標(biāo)是了解大腦和機體如何產(chǎn)生思維、情緒和感覺，并且?guī)椭委熌X功能紊亂患者[13]。該機構(gòu)由美國國立衛(wèi)生研究院、美國國防高級研究計劃局、美國國家科學(xué)家基金會領(lǐng)導(dǎo)[14]，三大機構(gòu)的研究重點不盡相同。國家衛(wèi)生研究院的研究重點是開發(fā)和應(yīng)用新型工具來繪制大腦回路，探索回路中腦細胞的動態(tài)活動，研究回路和認知、行為能力之間的關(guān)系。國防部高級研究項目局重點關(guān)注腦部創(chuàng)傷后應(yīng)激、腦損傷、記憶力減退的診斷和治療效果，推動有關(guān)腦數(shù)據(jù)處理、成像、先進分析技術(shù)的發(fā)展。國家科學(xué)基金會側(cè)重支持新技術(shù)、新方法、新工具的開發(fā)，以及神經(jīng)科學(xué)、認知科學(xué)的基礎(chǔ)研究[3]。

該計劃提出了9項優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和目標(biāo)，其中依序為：鑒定神經(jīng)細胞的類型;繪制大腦結(jié)構(gòu)圖譜;研發(fā)新的大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電活動記錄技術(shù);研發(fā)一套調(diào)控神經(jīng)環(huán)路電活動的工具集;建立神經(jīng)元電活動與行為的聯(lián)系;整合理論、模型和統(tǒng)計方法;解析人腦成像技術(shù)的基本機制;建立人腦數(shù)據(jù)采集的機制;腦科學(xué)知識的傳播與人員培訓(xùn)[15]。目前美國的腦計劃研究即可行性研究已經(jīng)進入第二階段，通過使用先進的通用信息數(shù)據(jù)庫，將腦的結(jié)構(gòu)和功能、微觀和宏觀的研究結(jié)果聯(lián)系起來，繪制出健康、疾病狀態(tài)下腦內(nèi)部功能、結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細胞和分子的圖譜[16]。

4 日本腦計劃

日本腦計劃—使用整合性神經(jīng)技術(shù)制作有助于腦疾病研究的大腦圖譜（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for disease Studies，MINDS）始于2014年，不同于歐盟、美國的腦計劃致力于測繪神經(jīng)環(huán)路的結(jié)構(gòu)和功能從而最終了解人類復(fù)雜而廣闊的大腦，MINDS聚焦于對“普通狨猴”的腦研究[17]。這種非人靈長類動物在腦圖譜的測繪上具有很多優(yōu)點，比如其發(fā)育良好的前皮質(zhì)相較于其他實驗動物更接近人類，其適中的腦體積更適合全面的神經(jīng)元電路分析，以及其良好的轉(zhuǎn)基因技術(shù)操作性。對于普通狨猴的腦地圖測繪是一項巨大的工程，需要更加長足的技術(shù)革新。獲得普通狨猴腦連接更加相詳細的結(jié)構(gòu)和功能信息，將會使人們對于人腦和腦疾病的認識更加深入[18-19]。

MINDS的目標(biāo)是建立狨猴的腦圖譜，創(chuàng)造用于神經(jīng)科學(xué)研究的一般動物模型，建立疾病模型的轉(zhuǎn)基因譜系動物，并將整合轉(zhuǎn)化的成果應(yīng)用于臨床[20]。該項研究包括“ABC”三部分，A：利用基于磁共振的多普勒組織成像等多種技術(shù)來進行非人靈長類腦動物結(jié)構(gòu)和功能地圖測繪。B：發(fā)展新的尖端技術(shù)支持腦圖譜測繪，該技術(shù)包括B1：高清、廣角、深入，且快速、持續(xù)的腦結(jié)構(gòu)和功能成像技術(shù);B2：控制神經(jīng)元活動的新技術(shù);B3：發(fā)展神經(jīng)信息學(xué)，使獲得的大量數(shù)據(jù)一體化，同時尋求與HBP和Allen等腦研究機構(gòu)的合作從而獲得統(tǒng)一可共享的數(shù)據(jù)資源。C：致力于測繪正常人和患者的腦圖譜，MINDS組織了三個臨床研究團隊，包括神經(jīng)退行性疾病研究團隊、精神病研究團隊和神經(jīng)康復(fù)研究團隊，該團隊將獲得的病人的多方面數(shù)據(jù)，包括核磁和其他生物指標(biāo)，反饋給普通狨猴的基礎(chǔ)研究?！癆BC”研究成果將會相互轉(zhuǎn)化，最終用于發(fā)展新的腦疾病診療介入手段[21]。迄今取得的成就包括：建立了用于神經(jīng)科學(xué)研究的狨猴實驗?zāi)Ｐ?、首?chuàng)的基因修飾技術(shù)、綜合的大規(guī)模狨猴腦結(jié)構(gòu)和功能繪圖、分子分類技術(shù)，用于數(shù)據(jù)整合的計算機平臺。

5 中國腦計劃

5.1 中國腦計劃的前期布局 中國腦計劃起步較晚，但是經(jīng)歷了充分的前期探索和準(zhǔn)備工作。2006年2月頒布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》將“腦科學(xué)與認知”列入基礎(chǔ)研究8個科學(xué)前沿問題之一?！澳X功能和腦重大疾病的基礎(chǔ)研究”“神經(jīng)發(fā)育的基礎(chǔ)研究”兩項研究已列入國家“973計劃”和“863計劃”[22]。2013年美國政府宣布啟動腦科學(xué)研究計劃后，我國緊隨其后召開了“腦科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研討會”，就美國、歐盟腦計劃的發(fā)展特點、內(nèi)容等以及我國腦科學(xué)研究現(xiàn)狀、發(fā)展方向、面臨的挑戰(zhàn)等方面的內(nèi)容進行討論[23]。

中科院在2012年啟動了戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜計劃”（Mapping Brain Functional Connections;簡稱：腦聯(lián)結(jié)圖譜），目標(biāo)是對特定腦功能的神經(jīng)聯(lián)結(jié)通路和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的解析及模擬，2015年該專項進行擴充，加入人類腦智能研究領(lǐng)域，專項更名為“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜與類腦智能研究”[24]。

2001年10月，我國科學(xué)家加入“人類腦計劃”，成為這一計劃的第20個成員國，隨后全國各高校及科研院所開始跟進腦計劃的發(fā)展，先后涌現(xiàn)出一批重點的腦科學(xué)研究單位，如北京大學(xué)的“腦科學(xué)與認知科學(xué)中心”，首都醫(yī)科大學(xué)牽頭成立的“北京腦重大疾病研究院”，清華大學(xué)組建的“清華大學(xué)腦科學(xué)研究院”、中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院與麻省理工學(xué)員麥戈文腦科學(xué)研究所合作共建的“腦認知科學(xué)和疾病研究所”“腦科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心”等[25]。中科院在2014年8月，以上海生科院神經(jīng)科學(xué)所為依托單位，成立了“腦科學(xué)卓越創(chuàng)新中心”，在2015年擴容為“腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心”，該機構(gòu)的目標(biāo)是以科學(xué)問題為導(dǎo)向，凝聚中科院的科研實力，通過團隊合作和學(xué)科交叉融合，解決在腦科學(xué)和類腦智能技術(shù)兩個前沿領(lǐng)域的重大問題。

2016年8月8日國務(wù)院頒發(fā)的《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》中將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030-重大項目”，提出搶占腦科學(xué)前沿研究制高點。

5.2 中國腦計劃正式開始 2016年我國發(fā)布了“中國腦計劃”，即“腦科學(xué)與類腦研究”國家重大科技專項，側(cè)重以探索大腦認知原理的基礎(chǔ)研究為主體，以發(fā)展類腦人工智能的計算技術(shù)和器件及研發(fā)腦重大疾病的診斷干預(yù)手段為應(yīng)用導(dǎo)向[3]。中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所蒲慕明院士結(jié)合中國的國情對人類腦計劃進行評價和展望，指出中國腦計劃將會補足美國、歐洲和日本腦計劃，大腦疾病將是中國未來主要的發(fā)展方向，尤其是早期診斷和早期治療，應(yīng)該成為中國腦研究計劃的首選方向[26]。

我國腦計劃總體布局概括為“一體兩翼”，即以研究腦認知的神經(jīng)原理，開發(fā)腦研究技術(shù)平臺為“主體”，研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術(shù)為“兩翼”，也就是腦科學(xué)與類腦智能，在未來15年內(nèi)使我國的腦認知基礎(chǔ)研究、類腦研究和腦重大疾病研究達到國際先進水平，并在部分領(lǐng)域起到引領(lǐng)作用[27]?，F(xiàn)代腦研究已經(jīng)建立對宏觀上的行為、神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的認識，如各種成像技術(shù)（正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)、功能磁共振成像技術(shù)等）明確了腦內(nèi)各分區(qū)的神經(jīng)元的活動，以及細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)的發(fā)展明確了微觀上的細胞和分子水平的認識，但是介于兩者之間的，對于神經(jīng)回路的介觀認識還存在較大的知識缺口，對于實施產(chǎn)生知覺、認知、思維等高級功能的神經(jīng)元活動的監(jiān)測缺乏有效的技術(shù)手段，中國腦計劃將著力于這一突破口[28-29]。

5.3 中國腦計劃的發(fā)展優(yōu)勢 我國在腦科學(xué)研究方面擁有兩大優(yōu)勢，一是腦功能紊亂的患者數(shù)量多，二是中國擁有大量可用于研究的靈長類動物[30]。

我國腦功能紊亂患者人數(shù)眾多，發(fā)病率逐年攀升。據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心調(diào)查，我國抑郁癥的發(fā)病率超過4%，患者人數(shù)超過3 000萬，已成為影響我國人民生產(chǎn)生活的主要病癥之一。自閉癥、抑郁癥患病人數(shù)逐年增加，阿爾茨海默綜合征發(fā)病人數(shù)居于全球首位[3]。

另一方面，我國的非人靈長類動物研究位居世界前列。中國科學(xué)院昆明動物研究所即將成為中國最大的靈長類動物研究基地;云南中科靈長類生物醫(yī)學(xué)重點實驗室擁有大量的轉(zhuǎn)基因靈長類動物，可用作杜氏營養(yǎng)不良癥、孤獨癥、帕金森等疾病的模型;位于上海的中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所建立了中國東部最大的靈長類動物研究所，包括獼猴和狨猴兩種動物，10個研究實驗室，致力于靈長類動物的生殖生物學(xué)、轉(zhuǎn)基因模型、系統(tǒng)神經(jīng)生理學(xué)、認知行為方面的研究。這些靈長類動物研究機構(gòu)能夠提供大量的可用于研究的靈長類動物模型、頂尖的科研設(shè)施以及便捷的研究條件。許多西方科研團隊來到中國尋求合作或者在此建立實驗室，中國的研究中心也會吸引國外專家到此利用先進的技術(shù)，包括基因編輯技術(shù)，成像技術(shù)等[31]。

6 討論

認識腦、保護腦、創(chuàng)造腦是人類科學(xué)發(fā)展的長期目標(biāo)，以神經(jīng)計算和類腦智能為代表的腦科學(xué)是當(dāng)前國際科技前沿的研究熱點，世界各國腦計劃陸續(xù)出臺、穩(wěn)步推進，我們也應(yīng)當(dāng)加快國內(nèi)腦科學(xué)的發(fā)展，加強國內(nèi)外的交流合作，積極參與國際科研平臺的建設(shè)，認真借鑒歐美等國的腦科學(xué)發(fā)展的成功經(jīng)驗[32]。中國腦計劃的發(fā)展需要緊密結(jié)合國家和社會發(fā)展的重大需求[33]，在腦疾病帶來的社會負擔(dān)不斷加重，腦科學(xué)亟待發(fā)展的背景下，中國腦計劃應(yīng)當(dāng)繼續(xù)推動腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術(shù)這“兩翼”的快速發(fā)展，在加強國際合作的同時，充分利用自己的優(yōu)勢資源，規(guī)劃具有自身特色的發(fā)展路線，掌握神經(jīng)科學(xué)研究的核心技術(shù)[34]。

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（收稿日期：2018-08-16） （本文編輯：周亞杰）