盘点 | 世界著名脑计划研究项目 ( 二）

　　上一次我们介绍了全球的脑计划项目，其中有IBM和斯坦福的项目，还有欧盟的Human Brain Project。今天我们就来介绍另外两个著名的脑计划。

　　日本“脑计划”

　　日本大脑研究计划Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies)主要是通过对狨猴大脑的研究来加快人类大脑疾病，如老年性痴呆和精神分裂症的研究。

　　日本大脑研究计划第一年将投入30亿日元（2700万美元），第二年可能增加到40亿日元，相对于美国和欧洲的10亿美元以上规模大脑研究计划，日本的计划就好象是小弟弟。但是，日本的大脑研究计划主要利用狨猴这种更接近人类的灵长类动物，能弥补用鼠类研究经常不同于人类的缺陷，尤其是在疾病研究方面。

　　日本大脑研究计划的核心任务是制造出转基因狨猴，利用这种动物模型研究人类的认知功能，并开展相关疾病研究。虽然从亲缘关系上黑猩猩更接近人类，但是狨猴作为研究对象有其优点，因为体形比较小使它们更容易被实验操作，这种动物过去也经常被作为动物模型。狨猴的大脑也比较小，只有8克（大鼠的的大脑也有2克），这就比较容易进行分析。尤其是狨猴的大脑额叶与人类非常类似，该脑区和精神分裂症关系密切，其他小实验动物无法代替狨猴的作用。狨猴的行为学和人类非常接近，例如它们以家庭为单位生活，和人类一样能用眼神进行交流，而且比较温顺，其他猴类和黑猩猩则不一样。狨猴是研究巴金森病和老年性痴呆等人类疾病最理想的动物，通过研究导致狨猴社会交往能力，如眼神交流能力破坏的原因将有利于理解人类孤独症的发病机理。

　　在狨猴基因工程动物方面的新技术将有利于这一技术的开展。2009年，川崎实验动物研究所转基因动物专家Erika Sasaki最早实现将基因转染到灵长类动物的技术。新的基因编辑技术如CRISPR能将目标基因精确改变，并成功用于制备转基因猴。遗传学家已经鉴定出导致人类精神分裂症和孤独症的特定突变。给建立这些疾病的遗传学模型奠定了重要基础。

　　日本大脑研究计划将分成三个组，第一小组由庆应大学Hideyuki Okano负责，用功能MRI等技术对大脑功能进行定位，该小组还将从细胞尺度上将宏观大脑功能进行分析。第二小组由理化研究所大脑科学研究所Atsushi Miyawaki负责，这一小组分为17个独立小组，将分别开发相关研究技术。东京大学Kiyoto Kasai负责第三小组，将收集和分析患者大脑成像等相关研究信息，关于人类精神分裂症、神经疾病和脑血管疾病的的信息将结合猴研究的信息进行综合分析。

　　日本用猴类进行实验的控制标准低于欧洲和美国，但是这些研究仍然面临伦理问题，也会受到动物保护组织的指责。日本大脑研究技术也许有些激进，美国神经疾病和中风研究所神经科学家Alfonso Silva指出，CRISPR技术并没有成功用于狨猴，他补充说，日本科学家应该抵制住各种诱惑，不要过于分散精力。只需要把一种疾病研究透彻就是重要贡献。最好先在一个疾病获得成功基础上，然后扩展到其他疾病研究中。

　　瑞士“蓝脑”计划

　　蓝脑计划是由瑞士科学家设想的一个复制人类大脑的计划。以达到治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的目的。但学术界对其褒贬不一。2009年8月11日，负责蓝脑计划的科学家宣称，他们有望在2020年左右制造出科学史上第一台会“思考”的机器，它将可能拥有感觉、痛苦、愿望甚至恐惧感。

　　瑞士洛桑理工学院的科学家亨利·马卡兰在巴西东北部城市那塔尔展示过他设想的“蓝脑”计划，并希望在2015年制造出“人造大脑”，以达到治疗阿尔茨海默氏症和帕金森氏症的目的。

　　马卡兰介绍说，他的想法是“拆除之后再重建”哺乳类动物的大脑，计划将分为几个阶段：2008年先用啮齿动物做实验，2011年后将试图组装一个猫的大脑，在2015年正式组装人类大脑之前可能还会制造猕猴的大脑。

　　截止09年7月，该项目已经取得了突破性进展。“蓝脑计划”组已经完成了人脑新皮层部分的神经元计算工作，并已绘制出一份3D神经元活动模拟图。最终，科研人员希望能知晓并模拟出整个人脑的神经元的活动情况，借此了解现实世界为我们带来的感官讯息是如何破译并储存到人脑中的，从而揭开人类意识产生之谜。

　　“蓝脑计划”开始于2005年，其目的是从实验数据逆向打造哺乳动物的大脑。研究组将重点放在皮层单元上，皮层单元是哺乳动物的大脑所独有的结构，也叫新大脑皮层。这是一个新的大脑，哺乳动物需要它，因为它们需要处理亲子关系、社会互动的复杂认知功能。从老鼠发展到人，它是如此成功，为了生成这一惊人器官，把脑结构单元数扩大了大约1000倍。这一研究仍在继续，发展速度很快。

　　该计划使用了IBM的eServer Blue Gene计算机（它每秒钟能够进行22.8万亿次浮点运算）。蓝脑计划试图模拟老鼠的大脑新皮质单元（NeoCortical Columns ，简称NCC）中10000个高度复杂的神经元行为。NCC延伸到整个大脑灰质中，执行高级的计算任务，它们的直径为0.5mm，像蜂巢中的小格子一样排列在大脑中。

　　蓝脑计划项目首席研究员Henry Markram表示，Blue Brain项目的第一个目标是在两三年内通过软件复制NCC，或者说设计出NCC的模板，然后根据大脑不同区域或者不同动物的大脑对这个模板进行修改，这样就可以模拟各种各样的NCC。

　　蓝脑计划所做的就是通过在神经元的层次上模拟大脑的行为，对脑实施逆向工程。研究人员计划创建一个模型工具，可以让其他的神经科学家当在其上做各种实验，验证各种假设，分析药物的功效时比在真正的大脑上取得更高的效率。这个项目的初始目标是对构成老鼠新大脑皮层单元(皮层的主要构成模块)的1万个神经元及3千万个突触连结进行模拟。选择新大脑皮层单元作为模拟的开始是因为它被大家公认为非常的复杂，它由很多不同的结构构成，每一个结构都包括很多的突触和离子通道。

　　“蓝脑”工程，是在IBM拥有的超级计算机——“蓝色基因”的构思基础上，企图应用超级计算机的高速度，来虚拟人类大脑的多种功能，比如认知、感觉、记忆等等。而基本思路是：既然要探索人脑活动的原理，就可以先从模拟人脑开始，用电脑“复制”人脑所有的活动，以及在其内部发生的各种反应。这个模型基于15年来的各种实验数据－神经形态学，基因表达，离子通道，突触联接，以及很多老鼠的电生理记录。为分析处理这些信息以及自动重建生理学正确的神经元及相应联接的3-D模型也编制了很多相关的软件工具。

　　蓝脑计算机的核心设备占据的空间其实很小，体积大概只有4台冰箱那么大，含有8096块处理器，每块处理器可以模拟1~10个神经元。整套系统大约可以模拟1亿个简单神经元，相当于老鼠大脑中所包含神经元数量的一半。IBM表示，这台Blue Brain仅仅是原型产品，以后产品化的Blue Brain售价将达到上亿美元。更新的Blue Gene将可以模拟10亿个简单神经元。随着计算机运算速度的提高和内存容量的增加，模拟整个人脑的工作将可能在10年之内完成。

　　“蓝脑”计划的主要研究对象集中在人类思考和记忆方面，通过对大脑运行过程的精确模拟，科学家还可以揭开隐藏在精神失常背后的秘密。绝大多数科学家认为，人类思维和记忆的失常和混乱源于大脑回路中的功能损害。另外，帕金森综合征也是蓝色大脑计划的主要目标之一，在人类大脑的中层存在一种可以生产“多巴胺”的细胞，当这些细胞开始死亡的时候，多巴胺的产生数量就会急剧下降，而帕金森综合征也就随之出现了。

　　这项计划有一种“上万神经元（每一个都不同）的软件模型，它能让研究人员通过数码技术搭建一个人工皮层单元。虽然每个神经元都是独一无二的，但是，研究人员已经发现不同大脑的线路有着共同的模式。虽然大脑有大有小，可能有不同形态的神经元，但是分享着相同的结构。这就是物种的特别之处，这可以解释人类为什么不能跨物种交流。

　　为了制作一个真实的模型，研究组需要把各种模块和一些运算法则输入一台超级电脑中。一个神经元的计算量需要用一台笔记本来做，所以，需要上万台笔记本。但是，研究使用的是一台有1万个处理器的IBM“蓝色基因”电脑。模拟大脑已经开始让研究人员了解到大脑工作方式的一些线索。例如，他们能显示出大脑的画面并监控机器的电活性。

　　表现和影射的目标最终会实现，因此，研究人员可能会直接看到大脑感知世界的方式。随着神经系统科学和哲学的发展，“蓝脑”计划还有着其他实际应用。例如，通过把世界上所有的有关动物的神经系统学资料汇集在一起，研究人员可能会建造动物模式。

　　蓝脑计划应用前景

　　对NCC的模拟将有助于理解记忆是如何存储和提取的，揭示大脑中很多激动人心的秘密，例如记忆的形式、记忆的容量以及遗忘的原理。这项试验还将帮助科学家搞清楚神经组织的脆弱之处，进而理解大脑功能紊乱的原理，以此来治疗孤独症、精神分裂症和抑郁症等。此外，这项计划如果成功，很多脑科学试验可以通过计算机完成。一项脑科学试验如果使用传统方式进行可能需要一整天，但如果使用计算机模拟的大脑也许只需要几秒钟就能完成。

　　IBM还将这种计算技术用于生命科学研究，他们甚至认为生物科学在已经在一定程度上演化成了信息科学，Blue Brain技术的发展将会揭示生物体中的很多有趣现象，必须要有这样足够复杂的计算机系统才能模拟生物系统。IBM还认为Blue Brain项目对其他工业和科学研究领域的带动作用将会非常巨大。例如，模拟神经网络行为的ASIC设计方案将来可能会应用于智能设备的信息处理。另外，从更一般的意义上说，Blue Bain将推动实时数据处理的发展，而与实时数据处理对应的是离线数据处理。

　　而IBM研究院Blue Brain项目的负责人Charles Peck认为，模拟大脑的真正价值在于研究人员可以获得每个神经元的数据。“虽然科学家对大脑的很多细节已经非常了解，但是他们仍然不知道大脑各个组成部分之间的结合方式，也不知道大脑如何思考、如何学习以及如何形成概念，”他说。其意在这项研究可以真正拉近电脑与人脑之间的距离。

　　研究团队将对几十个大脑神经元进行测试，这些神经元取自老鼠的大脑并被固定在芯片上。研究工作的内容包括检测每个神经元的物理结构和电子特征，以及神经元之间相互作用的方式。目前的这台Blue Gene超级计算机是2005年7月份安装的，8月份运行了首次模拟运行，模拟了25000个简单神经元，运行时间只花了60s。这种模拟以前是无法完成的，在普通的计算机集群中，哪怕模拟1000个神经元也要花好几个星期的时间，Blue Gene在运算规模和速度上都有巨大的进步。

　　该计划如能成功，那么这个虚拟的大脑将为研究人类的认知，如感觉、记忆甚至意识提供重要的提示，这可能将是人类首次观察到并同时模拟到我们的大脑用以反映世界的电子代码，还可能有助于理解当大脑的“微电路”出故障时是如何引起孤独症、精神分裂症和抑郁症等精神上的紊乱的。

　　本文编辑自网络资料。