脑科学成大国“必争之地”

未知   2016-06-12 20:10:53


脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的最终疆域。各大国竞相投入脑科学研究,是因为其不仅关乎人类的健康和福祉,也关乎未来的生产力

□王云

人脑的认知黑洞

时至今日,大脑依旧是人类认知的黑洞。人类大脑大约有1000亿个神经元,它们如何连接以及如何导致精神错乱或是出现神经性疾病,目前人类并没有弄清楚其中的奥秘。随着全球人口老龄化时代到来,阿尔茨海默综合症、帕金森综合症,以及亨廷顿综合症等神经衰退性疾病日益成为人类的健康负担,人类迫切地想知道:大脑是如何工作的。脑科学研究是一个涉及多种学科融合、多个部门合作的大科学项目。它对我们更好地了解人类的大脑如何工作、认识人类心理,以及神经性疾病大有裨益。

覆盖人脑的神经网络约有140亿个脑细胞,脑细胞之间的连接“通路”高达 100万亿个, 这些网络结构就是我们处理大脑所有功能所需要的。关于脑细胞之间的通路和结点,有三个名词:一个是神经细胞的“轴突”,是信号输出端;一个是“树突”,是信号输入端;轴突和树突的交界点叫“突触”,每一个细胞上都有成千上万个突触。神经细胞主要的功能是把所有的信号收集起来,然后处理这些信号,再决定是不是要把信号送出去给下一个系统。“树突”在生命个体出生之后开始大量产生,然后慢慢减少。这是因为人出生之后,一定要建立神经网络,但一开始不知道怎么建立,所以,会形成很多网络。然后在小孩出生之后,伴随着学习过程,就把有用的连接留下来,没有用的连接就会删掉。删除的过程也是造成个体差别的重要因素。所以,小孩子出生之后一定要学习,如果不学习,就不能更好地形成正确的网络。

“脑计划”能够做些什么

一些重要的脑疾病,如自闭症、精神类疾病、老年痴呆症等都是全世界的难题,也都与大脑的奥秘有关。以老年痴呆症为例,根据得病率统计,85岁以上老人中的50%患有老年痴呆。预计到2050年,中国将有近1亿患者的生活需要照顾、需要医疗系统的救助,这是严重的社会负担。如果实施中国“脑计划”,对于老年痴呆症,就能找到早期诊断的方法,早发现、早干预,把严重症状出现期从85岁延缓到95 岁,社会负担就可以大大减轻。

脑科学研究成果的应用目前来看主要集中在两个领域:一是脑疾病的诊断和治疗;另一大应用方向就是“类脑智能”,也就是时下非常热门的“人工智能”,即通过对脑的理解,受脑工作原理的启发,人类设计出精巧的、具有部分人类智力的机器或计算机程式。脑科学研究成果将促进人工智能等技术的研发,这一领域的研究突破将引领新一轮科技革命,使经济社会发展呈现崭新的局面。

与脑相关的科技革命

科技电影中主角用意念移动物体的场面时常让人心潮澎湃。随着科学家对大脑这一人体最重要器官的不断研究,多种科技产品已横空出世,让人叹为观止。2014年的巴西足球世界杯开幕式上,一名残疾人利用脑控技术完成了开球仪式,让全世界观众共同见证了脑科学技术的发展。

英国一名设计师开发出一种脑控独轮车,工作原理是骑车者佩戴一种由脑脉冲控制的特制护目镜,通过蓝牙技术与独轮车动力系统保持即时联系。一旦前方有障碍物,护目镜检测到脑脉冲的变化就会自动发出减速或停车指令,保证骑车者的安全。


复旦大学脑科学研究院研究员 王云

美国国防部开发出一种传感器,将其植入瘫痪患者脑部,患者就能够用大脑意念操控机械手臂,大大便利了患者的日常生活。这项技术依靠一个由数百个接触点组成的4毫米传感器实现,每个接触点对应大脑中特定的位置,能够即时“解码”从脑细胞和神经中传来的信号。信号被传递到电脑之后,由特定软件对照人体运动模式进行解码分析,并生成操作机械手臂的代码。

用脑电波开车,也并不是开玩笑。不久前,捷豹路虎推出“意识传感项目”,旨在研究汽车能否有效解读脑电波,从而判断驾驶者是在专注于驾驶,还是处于昏昏欲睡或注意力不集中的状态。监测脑电波的最常见方法,是在头部戴上安装有传感器的头带,但是这在车内并不适用。该技术采用了嵌入方向盘的传感器,通过手部来监测脑电波,即便传感源远离驾驶者头部,也能借助软件把信号放大,将脑电波从各种干扰中过滤出来。最近,宝马的研发人员改装了一辆宝马i3电动汽车,使其能够仅凭一个人的意念来远程驾驶。在展示中,通过将脑电波翻译成驾驶指令,可以控制这辆车在一个曲线跑道上行驶。

欧美“脑计划”

2013年4月,美国政府公布“脑计划”,该项目旨在通过创新型技术的开发以及应用,从而能更好地理解大脑的功能特征,帮助人类攻克阿尔兹海默综合症、帕金森综合症以及其他大脑顽疾;启动资金逾1亿美元,在未来12年间预计总共将投入45亿美元。欧洲“脑计划”紧随美国之后启动,主要研究领域可以大致划分为三大类:未来神经科学、未来医学、未来计算。该计划联合欧洲26个国家、数百个实验室,预计耗时10年,耗资12亿欧元。日本政府也对脑科学研究兴趣浓厚,紧随美国和欧盟之后,宣布启动日本“脑计划”。该计划为期10年,由日本理化学研究所(RIKEN)主导完成,旨在理解大脑如何工作,以及通过建立动物模型研究大脑神经回路技术,从而更好地诊断以及治疗大脑疾病。

身处中美两国学术前沿,我清晰感受到各国政府和学界在脑科学和类脑智能领域的竞赛。 从各国已启动的“脑计划”来看:美国侧重于研发新型脑研究技术;欧盟主攻以超级计算机技术来模拟脑功能;日本出台的“脑计划”则聚焦以狨猴为模型研究各种脑功能和脑疾病的机理。

脑科学和类脑研究的全球性热潮反映了科学界和各国政府的三点共识:第一,脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的终极疆域,也是本世纪最重要的前沿学科之一;第二,脑疾病所带来的社会经济负担已超过心血管病和癌症,脑科学的发展对脑疾病的诊断治疗将有关键性的贡献;第三,计算机技术和人工智能发展至今已面临瓶颈,对人脑认知神经机制的理解可能为新一代人工智能算法和器件的研发带来新启发。各大国竞相投入脑科学研究意义深远。这不仅关乎人类的健康和福祉,也关乎未来的生产力,有望深刻改变社会。

中国“脑计划”布局为“一体两翼”

目前,全世界都在进行脑科学研究,中国也非做不可。中国脑科学家早在2013年就开始酝酿中国的“脑计划”,“十三五”规划纲要草案已经把脑科学和类脑研究列入国家重大科技项目。

与欧美、日本的“脑计划”相比,中国“脑计划”更为全面。据了解,中国“脑计划”的全称为“脑科学与类脑科学研究”,主要有两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究,以及以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究(见附图)。科学家因此提出了“一体两翼”的布局建议:即以研究脑认知的神经原理为“主体”,研发脑重大疾病诊治新手段和类脑智能新技术为“两翼”。目标是在未来15年内,在脑科学、脑疾病早期诊断与干预、类脑智能器件三个前沿领域,取得国际领先的成果。在国家的大力支持下,中国的脑科学研究有可能在未来10到20年时间实现跨越式发展,发展速度会超过欧美。

“中国脑计划”主要解决大脑三个层面的认知问题:(1)大脑对外界环境的感官认知,即探究人类对外界环境的感知,如人的注意力、学习、记忆,以及决策制定等;(2)对人类以及非人灵长类自我意识的认知,通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成;(3)对语言的认知,探究语法以及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

“脑计划”对中国基础脑科学技术研究平台有很大的提升,这些技术体现在神经标记和神经环路示踪技术、大脑成像技术、神经调节技术、神经信息处理平台等方面。此外,该项目有望建立一个脑图像国家平台,一个有关大脑功能失调的血液生物库和大脑生物库以及大脑健康训练和教育中心,对于基础脑科学研究来说,由此带来的长尾效应非常明显。

除了能促进基础脑科学外,中国“脑计划”有益于我们对大脑疾病的探索。该计划一旦落实,未来我们有望通过分子、影像以及相关标记物,即可在大脑疾病的早期诊断和干预上发挥重要作用,通过大脑疾病的遗传、表观遗传,以及病理性功能失调等方面的研究,掌握大脑疾病的发生机制。我们常见的脑功能障碍疾病,如自闭症、心理障碍、抑郁症、上瘾,以及神经衰退性疾病、阿尔茨海默综合症、帕金森等疾病都是这项计划首先要攻克的目标。

类脑科学研究,则主要应用于人工智能技术的研发上。通过类人脑神经网络模型和计算方法的建立,以及通过类脑计算、处理、存储设备技术的研究,有助于我们对新一代人工智能机器,以及类脑机器人等项目的开发。

有所为,有所不为

欧美在脑科学所属的神经科学领域研究的积淀十分深厚。与之相比,中国的神经科学研究还是一个蹒跚学步的孩童,“起步晚、体量小”是无法忽视的现实。中国的脑科学研究在20年前才开始真正起步。美国神经科学学会成员5、6万人,而中国的神经科学学会成员只有6000人左右。中国也只有少数实验室在神经科学领域具备国际竞争力,且研究人员偏年轻化,本领域领军人物较少,仍需多年积累。

基于现实层面的考量,中国“脑计划”的原则是“有所为,有所不为”。并不是所有领域都做,而是充分利用中国在数理、信息、材料、工程交叉学科方面的专长,在优势领域做到世界领先。

中国脑科学研究的先天优势是灵长类动物种类和数量非常丰富,并拥有脑疾病样本的丰富资源,在猴类转基因动物研究和非人灵长类脑疾病模型研究方面已走在世界前列。未来一二十年内,对小鼠神经网络的研究将大致完成。其后,以非人灵长类动物为模型研究人类高等认知功能将成为重点,如思考、自我意识、共情以及语言等,这是中国必须抓住的机会。


CFP供图


图 中国“脑计划”分为脑科学和类脑科学两部分

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