【前沿观察】脑科学成大国“必争之地” 看各国都亮哪些大招
来源：新华社
记者：张忠霞，彭茜、华义、马丹、张家伟、张淼
进入新世纪以来，各大国在科研领域多头比拼：上天、入海、互联、虚拟……而最近几年，一个新的科技“高边疆”又进入人们的视野：我们身上的最后谜团——大脑的奥秘。
专家们认为，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。
认知“黑洞”
为什么是大脑？“我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少”。２０多年前，ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克就如此抱怨。
然而时至今日，大脑仍然是人类认知的“黑洞”。
美国总统奥巴马对此说：“作为人类，我们能够确认数光年外的星系，我们能研究比原子还小的粒子，但我们仍无法揭示两耳间三磅重的物质（指大脑）的奥秘。”
“两耳间三磅重的物质”也被戏称为“三磅的宇宙”，难以琢磨又令人神往。中科院外籍院士蒲慕明接受记者采访时说，人类大脑有１０００亿个神经细胞，彼此之间由大量的神经纤维连接成极为复杂的神经网络。目前脑科学最有待突破的就是理解人脑高级认知功能的神经网路基础。
“我们对大脑的了解还仅是沧海一粟”，英国帝国理工大学外科手术机器人研究员刘芳德认为，大国掀起的“脑科学热”很可能成为另一个“人类基因组计划”。
蒲慕明也表示，脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的“最终疆域”，是本世纪最重要的前沿科学之一。科学界甚至认为，把研究人脑的神经科学称为“人类科学最后的前沿”也毫不为过。
吹响号角
对于脑科学领域，２０１３年无疑是个重要年份。这一年年初，欧盟率先宣布，“人脑工程”为欧盟未来１０年的“新兴旗舰技术项目”，获得１０亿欧元科研经费。当年４月，美国政府公布“脑计划”，启动资金逾１亿美元，后经调整，在未来１２年间预计总共将投入４５亿美元。
日本对脑科学研究也兴趣浓厚。紧随欧美，日本２０１４年正式发起“大脑研究计划”，由理化学研究所主导，试图从狨猴大脑入手，来加快人类大脑研究。
图：日本电视剧海报
中国也在积极酝酿后迅速入场。“脑科学与类脑研究”被“十三五”规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一，“中国脑计划”即将上线。
“脑科学研究，在时间上太重要了！”复旦大学脑科学研究院院长马兰在接受媒体采访时说，目前脑科学发展正处于一个重要的跨越式发展时期。奥巴马在宣布“脑计划”时曾直言，“现在是太空竞赛以来，美国的研发水平达到新高度的时候了”。
脑科学领域，大国正纷纷起跑。这是一个烧钱的战场，但不下“血本”，就无法占领新的科研高地。
一体两翼
脑科学研究的本质，可以用“一体两翼”来概括。一体，即以研究脑认知的神经原理为主体；两翼，即研发人脑重大疾病诊治的新手段和以人工智能为导向的类脑研究。
正如诺贝尔生理学或医学奖得主杰拉德·埃德尔曼所言：“脑科学的知识将奠定即将到来新时代之基础。凭这些知识我们可医治大量疾病，建造模仿脑功能的新机器，而且更深入地理解我们自己的本质以及我们如何认识世界。”
两翼中，治疗人脑疾病是“接地气”的一翼，也是人类最急迫的需求。帕金森病、阿尔茨海默氏症、抑郁症、精神分裂症……未来，我们能否厘清这些脑疾病的机理？是否能治愈或者至少延缓脑疾病的发生发展？
日本正进入老龄化社会，帕金森病等老人常见病日渐高发，困扰社会。主导脑科学研究的理化学研究所脑科学综合研究中心主任利根川进就表示，他们有责任去揭开帕金森病等大脑疾病的根本原因、找到有效的治疗或预防方法。
欧洲也面临同样的困扰。据预测，未来欧洲约三分之一的人口会患上与脑有关的疾病，这几乎影响所有的欧洲家庭。脑科学基础研究无疑会造福社会，改善人类健康水平和老年生活质量。
而另一翼——人工智能，更令人遐想无限。“阿尔法围棋”战胜李世石引来世人瞩目，可是要知道，它仅仅是一个单一任务的运算程序，与人脑的能力还有极大差距，如果真正模拟人脑又会怎样？
当然，人工智能（ＡＩ）的目标并不是复制人类大脑，而是在各种细分领域里提供智能服务，比如智能驾驶、手术机器人等。未来学家凯文·凯利预言，未来２０年，全球最重要的技术就是人工智能，人工智能产品将成为水和电一样的日用品。
“把人工智能列入‘十三五’是很正确的决策，过了这个时间点可能就来不及了。”科大讯飞总裁刘庆峰曾表示，人工智能是全球下一轮产业革命的引爆点和“必争之地”。
美国硅谷已经抢得先机。从谷歌、脸书、微软等巨头到初创公司，它们都爱人工智能。谷歌内部有上百个团队在研究机器学习技术。脸书近两年来在硅谷、纽约和巴黎连设３家人工智能实验室……这些科技公司的掌门人相信，人工智能技术可能改变世界。
可以预期的是，脑科学的新发现，将使人工智能发展获得新的“助推器”。
蓝脑计划和美国脑计划
来源：人机与认知实验室
作者：蔡韦旭 刘伟
什么是蓝脑计划？
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。以达到治疗和的目的。但网络上对其褒贬不一。2009年8月11日，负责蓝脑计划的科学家亨利·马克拉姆教授宣称，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。
“蓝脑”工程，是在拥有的超级计算机——“”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，表达，离子通道，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。
马克拉姆今年47岁，出生于南非，现为以色列国籍，他曾是一名医生，后转行成了电脑工程师。在2009年夏季科技大会上，马克拉姆的话让博学多才的听众们也目瞪口呆。马克拉姆宣称，他的团队将在2018年前开发出世界上第一个具有意识和智能的人造大脑。这确实是他的奋斗目标。在日内瓦湖畔，这位才华横溢、又有些古怪的科学家正在朝这个目标迈进。
按照他的设想，人造大脑由硅、金和铜等金属制成。最终的结果会是一个“人”——如果我们可以这样称呼的话，马克拉姆相信在十年内，此人可能会具备思维、感觉等能力，甚至还能坠入爱河。一旦成功，马克拉姆的“蓝脑”(Blue Brain)计划一定会成为科学史上最非同寻常的项目之一。
如果他的实验取得成功，那么我们将接近于实现一个古老的概念，这个概念最早是在英国著名小说家玛丽-雪莱(Mary Shelley)创作的文学史上第一部科幻小说《弗兰肯斯坦》(Frankenstein)中提出的，讲述了科学家利用高科技打造人造怪物的故事。巧合的是，《弗兰肯斯坦》的创作地离马克拉姆教授的实验室并不远。马克拉姆的尝试一旦成功，将带给这种概念以最大的哲学、道德和伦理谜团，或许迫使我们接受这种难言的结局。
马克拉姆认为，人造大脑会使活体解剖过时，征服精神疾病，甚至改善我们的智商和认知能力。马克拉姆“蓝脑”计划的目标是，尝试在世界上运算能力最强大的电脑之一上开发电脑化的大脑版本——一开始是对老鼠大脑进行试验，接着过渡到人脑。马克拉姆希望赋予人造大脑以丰富的情感，具有思维、推理、意愿 表达、记忆等能力，甚至还能体验像人一样的悲伤、欢乐、痛苦、愤怒。
随着论文发表，洛桑瑞士联邦理工学院的亨利·马克拉姆教授宣布，人类首次成功用计算机真实模拟了一个含有207种亚型、共计约31000个神经元的大鼠神经网络。
此前，神经网络模拟领域最前沿的进展，也不过是模拟了果蝇脑神经节的379个神经元，而在哺乳动物领域，这样的探索还几乎是一片空白。一下抛出超过3万神经元的模拟，蓝脑计划的这项成果可谓开创了计算机模拟神经元活动的先河。
他们是怎么做到的？说到底其实很简单，甚至有几分暴力美学的意味：他们把大鼠的大脑取出来，切成许多薄片，检测每一个薄片中的每一个神经元的形态学特征、分子生物学信息和电生理学特性，然后利用这些信息在计算机中逐一重构出这些神经元，再把这几万个虚拟神经元像拼图般按原样拼成神经网络——用堆砌无数人力物力的“体力活”，去研究“脑力活”的中枢。
这样的付出是值得的。如果说以前的神经学研究相当于在世界各个角落拍照片，那么这项突破相当于直接在电脑里构建了一个精确无比的北京城模型——从此，至少北京城里的一切，你想怎么看就能怎么看了。利用这个史无前例的神经网络，研究者发现了若干种新的神经学现象。这个模型也使他们得以预测超过2000种突触连接的解剖学和生理学细节，而此前只有大概20种突触连接类型进行过实验测量。
而这项意义重大的成果，既不属于宣布成果的马克拉姆教授本人，也不属于洛桑瑞士联邦理工学院，甚至不属于来自18个机构近百位论文作者中的任何一人或机构。确切地说，它属于“蓝脑计划”。
蓝脑的“对手”：美国“脑”计划
大洋彼岸的美国不甘落后。尽管在此之前小布什政府也推出过诸如“脑十年”之类的小型计划，但是这一次，他们决定要来一票大的了，2014年4月初，美国白宫公布了“推进创新神经技术脑研究计划”（简称“脑计划”）。脑计划项目的提出者是奥巴马总统本人。美国国会批准首轮就为“脑计划”拨款1.1亿美元。美国国立卫生研究院特地为此发布了一个指南，计划用3年时间集中研究6类领域，研发观察大脑神经元的新技术和新方法。
如今，美国投资一亿美元开启了另一项媲美阿波罗计划的项目：皮层网络的机器智能计划（Machine Intelligence from CorticalNetworks，），希望对1立方毫米的大脑进行反向工程，研究其计算方式。MICrONS隶属于美国高级智能研究计划（Intelligence AdvancedResearch Projects Activity，IARPA）及部分奥巴马脑计划（BRAIN Initiative）。IARPA招募了3个团队来进行MICrONS项目，分别由哈佛大学的生物学家及计算科学家David Cox，卡内基梅隆大学计算科学家Tai Sing Lee和贝勒医学院神经科学家Andreas Tolias带领，希望为智能研究社区甚至整个世界带来重大变革。
MICrONS的前期计划是绘制出啮齿动物1立方毫米大脑范围内的所有神经回路。各国脑计划发展带来的新技术，为这个目标的完成提供了坚实的基础。3个团队各有分工。David Cox团队用双光子显微镜（two-photon microscopy）来测量老鼠的脑皮层活动；AndreasTolias团队用三光子显微镜（three-photon microscopy）探索更深处的区域；哈佛大学另一位神经科学家Jeffrey Lichtman带领团队将1立方毫米的老鼠大脑切片、电镜拍照、区分各神经元和连接；Tai Sing Lee的团队则与哈佛医学院遗传学家George Church合作，为每一个神经元打上“条形码”，来完成连接组的绘制。
MICrONS的后期计划，则是利用对着1立方毫米大脑的了解，去优化人工智能算法。很多研究人员认为大脑是贝叶斯式的，大脑会以概率分布的方式来表征外界信息，并基于过去的经验对新的信息进行计算得到最可能的解释，即对外界信息有个合成的过程，随时进行期待和预测，并解释和利用新输入的信息。例如视网膜上接受和产生的信息只是二维结构，大脑可能用一个基于概率的模型去从视网膜信息中推导出三维结构，就能在复杂的场景中，即使面对不同角度、距离和光照，也能轻易识别物体。MICrONS就希望能够以此让机器获得更好的概括能力、更好的抽象能力以及对稀疏数据的使用能力。这是最难的部分。
很多研究人员对MICrONS前半部分表示乐观，但对后半部分表示怀疑。在现有基础上，对神经元的结构和连接、以及彼此互动的方式进行研究是完全有可能的，但要把这些信息拿出来去优化人工智能算法，是一件还没什么谱的事情。
MICrONS计划于欧洲脑计划（Human Brain Project）听起来类似，但David Cox说，他们的项目在技术上和逻辑上都与欧洲脑计划不同。他们的目的并非模拟大脑，与欧洲脑计划是完全相反的。同时，他们也充满信心，尽管可能结果并非像预期一样，但不管结果是什么，都是对大脑未知的探索，都不是失败。
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