互动科普

大脑计划要干什么

自从美国总统奥巴马在2013年4月2日宣布启动“脑计划”以来，神经科学家一直在试图弄清它到底是什么，应该怎么做。

撰文 海伦·沈（Helen Shen） 翻译 万宇

2013年5月上旬某个周一的上午，弗吉尼亚州阿林顿的一间酒店舞厅里座无虚席。神经科学家、物理学家和工程师，挤满了这个可以容纳150人的大厅，会场外还有数百人正通过网络视频关注着这里。激动、期盼和忧虑的情绪交织在空气中。

就在一个月以前的4月2日，美国总统奥巴马宣布了一个堪称神经科学“登月计划”的项目——“通过推动神经技术创新以研究大脑”计划（Brain Research Through Advancing Innovative Neurotechnologies，缩写为BRAIN)，简称“脑计划”。奥巴马承诺，该计划将催生一大批研究大脑活动的新工具，从而让人们对大脑的认识，产生突破性进步。同时，这个影响深远的计划还可能成为欧洲“人类大脑计划”（Human Brain Project）的有力竞争者。后者将持续10年，预计耗资达10亿欧元（合13亿美元）。

然而，这个模糊的宣告却没有提到一些关键细节，比如该计划的具体目标是什么，应该怎样去执行。于是在2013年5月6日，神经科学各相关领域的研究人员蜂拥至美国国家科学基金会（National Science Foundation）和卡弗里基金会（Kavli Foundation）举办的研讨会上，首次有机会提出各自关心的目标，试图填补这一声明中的空白。

不过，会议的结果却是一片混乱。每个人都不想错过神经科学的“下一个重大事件”，哪怕现在还没有人确切知道它到底会是什么。“我们已经做好了实现飞跃的准备，但它的方向和内容还处在争论之中，”本次研讨会的组织者之一，哈佛大学医学院的神经生物学家范·韦登（Van Wedeen）说道。

另一些人则把“脑计划”描述为一次罗尔沙赫氏测试（Rorschach test）——让每个研究人员将自己的希望和不安，投射到一个模糊的实体上。但随着该计划的演变，它越来越像一次大规模的社会学实验，因为庞大的神经科学团体不得不在密切的公众关注和紧张的资金状况下，围绕一个共同的研究计划而努力工作。

宏伟蓝图

对公众而言，奥巴马的这个宣告仿佛是空穴来风，因为他从来没有如此关注过神经科学。事实上，早在18个月以前，这个宣告背后的思想就在距离白宫近6 000千米外的地方诞生了。在一次由卡弗里基金会于英国奇切利（Chicheley）举办的会议上，一群神经科学家和纳米科学家设想了未来的神经科学研究方法：同时记录数千，乃至数百万神经元的电脉冲信号。

“这可能是我们弄清楚思想是如何产生的唯一方法，”哥伦比亚大学的拉斐尔·尤思特（Rafael Yuste）说。他是这一构想的倡导者。“目前的技术只能同时记录来自单个或一小群神经元的电信号，这就好像你在电视上看电影时，只有一个像素可看。”

为了做得更好，“卡弗里构想”的设计者们号召发起一个“大脑活动图谱”（Brain Activity Map，缩写为BAM）项目：开发一些新技术，让科学家先从果蝇这样的小型生物开始，弄清楚这些生物中的神经活动图谱之后，再转向更大更复杂的哺乳动物系统，例如大鼠类的视网膜。他们预计在15年内，该项目将可以同时记录大鼠类大脑皮层上的所有神经活动——接下来，研究对象将是灵长类动物，最后是人类。

“大脑活动图谱”项目的定位，是一块引玉的砖。“如果我们只是呆在实验室里，做些小打小闹的项目，那什么都不会发生，”尤思特声称。然而，在许多外人看来，这个项目考虑不周——“简直就是科幻”，加州理工学院的神经生物学家马库斯·迈斯特（Markus Meister）评论道。批评者们担心，该项目可能会花太长的时间、太多的经费，并且最终会受限于物理定律——后者决定了脑部能够容纳的电极密度。不仅如此，记录某个生物体一生中所有的脑部活动，会产生极为庞大的数据，而我们还缺乏用来理解这些数据的计算和理论方法。这才是真正的问题所在。“我们还不能理解这些数据，”麻省理工学院的神经科学家迈赫达德·贾扎耶里（Mehrdad Jazayeri）说道。

不过，“大脑活动图谱”项目引起了白宫的注意。当时，美国政府正在寻找一个大胆的总统计划。在2013年2月12日发表的国情咨文（State of the Union）里，白宫首次透露出这种兴趣。5天后，当《纽约时报》头版的一篇文章，报道了白宫计划启动一项基于“卡弗里构想”的神经科学“十年计划”时，神经科学家们才猛然意识到国情咨文里这一信息的重要性。这篇文章还暗示，该计划可能会与人类基因组计划一样，获得来自美国政府高达38亿美元的资助，然后在未来十年内，绘制出全面、详细的人类大脑活动图谱。

这条新闻让许多神经科学家担忧：新计划没有得到他们的充分论证，而这笔资金本可以用于现有的研究项目；而且，如果他们不能达到这个看似不可能的目标，还会让公众对科学界的信任大打折扣。“时间很紧迫，但相关的研究人员就这么多，”帕萨·密特拉（Partha Mitra）说道。他是美国冷泉港实验室（Cold Spring Harbor Laboratory）的神经科学家，也是“大脑活动图谱”项目的批评者之一。

但政府随后对计划做了调整。在2013年4月2日发布的官方声明中，这一项目已经被重新包装为“脑计划”，并且有了一个相对温和的价码：美国政府将在2014财年资助1.1亿美元。同时，它不再设定具体期限，尽管白宫仍然暗示，这可能会持续10年甚至更长时间。

不仅如此，与“大脑活动图谱”项目不同，“脑计划”没有设定清晰的目标。奥巴马并没有承诺，该计划将能同时记录某一数量的神经元的全部活动；相反，他只是简单地提到，该项目将开发新工具和新技术，帮助神经科学家更好地研究大脑神经回路及神经活动，这些技术和工具，也将为癫痫、自闭症、阿尔茨海默病和精神分裂症等神经疾病的治疗奠定基础。

这个声明让很多神经科学家安心不少——至少它不是“大脑活动图谱”项目，但还是很模糊，很让人困惑。他们只知道，“脑计划”的相关事宜，将由美国国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）和美国国家科学基金会负责，这三个部门将在第一财年，分别投入5 000万、4 000万和2 000万美元的经费。同时，该计划还可能得到4家私立机构总计1.22亿美元的资助。

这就是为什么在2013年5月的那次研讨会上，气氛会如此热烈：科学家在忍受了数周的猜测与不安之后，终于有机会发表意见。与会者首先要提交一份单页的提案，描述大脑研究中的一个主要障碍。然后，在紧张的节奏中，每个提案只有一分钟来供众人讨论。

“我最关心的是，如何准确、快速地重建神经回路，”第一位发言者阿尔伯特·卡尔多纳（Albert Cardona）声称。他是珍利亚农场研究园（Janelia Farm Research Campus）的神经科学家，在本次会议上，他主张使用经过改良的自动化技术，在超精细的尺度上，研究大脑的解剖结构。也有科学家倡议，利用“大脑活动图谱”项目的方法，在更大规模上记录神经元活动；一些人坚持使用他们熟悉的模式生物；还有一些发言者则在强调大数据存储，以及分析这些数据所需的计算方法和理论创新的重要性。

模糊愿景

但是，让场外观众渐感懊恼的是，这次会议始终没能就“脑计划”的时间安排达成一致，甚至没有人能弄清楚，这个计划所需的资金到底是来自新增拨款，还是从现有的研究项目中划拨。到了最后，与会者纷纷失去耐心，跑到酒店大厅里去处理邮件、打电话，或是远程指挥自己的实验室。

在留下来的人中，有美国国立卫生研究院“脑计划”顾问委员会的成员。这个15人的团队被冠以“梦之队”的称号——尽管他们并不喜欢这个名字。美国洛克菲勒大学的神经科学家科妮莉亚·巴格曼（Cornelia Bargmann）和威廉·纽瑟姆（William Newsome）共同担任委员会主席。该委员会的第一个任务是，起草一份中期报告（interim report，一种与周年报告类似的报告，但相隔较短时间发布），提出“脑计划”开展后第一年的科学目标。2013年9月，这份报告提交后，他们开始制定一个长期的执行计划，力求在2014年6月前完成。

就在2013年5月的那次会议后不久，美国国立卫生研究院开始了他们的首轮活动：组织了4次研讨会，收集来自神经科学界的意见。这些意见涵盖了分子技术、大规模记录技术、计算和理论神经科学、人脑研究等领域。这几次的会议气氛，发生了很大变化：5月的那次会议如市政厅会议般嘈杂，而由美国国立卫生研究院组织的这一系列研讨会，仿佛是颇有荣誉的演讲。每次研讨会都以12人左右的公开演讲开始，整个过程得到了精心控制；在演讲阶段结束之后，演讲者们就进入与“梦之队”的封闭讨论环节。“这种感觉就好像是参加联合国会议。大家围坐在长椭圆形的会议桌前，面前立着各自的名牌，”一位与会者这样回忆道。

巴格曼说，正是因为保障了隐私，才让与会科学家能够就不同的实验方法畅所欲言，有时候甚至是批判性的。但是，在神经科学界更大的范围内，许多人觉得，在选择与会者和讨论议题时，并没有囊括他们的研究兴趣。为此，“梦之队”受到了来自分子、细胞及发育神经科学家的抨击。同时，临床神经科学家也担心，该计划不够重视疾病研究。

让科学家更感到担忧的是，没有人知道他们是否有机会参与另外两个机构开展的“脑计划”分支项目。美国国防部高级研究计划局国防科学办公室的副主任杰弗里·凌（Geoffrey Ling）在2013年6月表示，高级研究计划局还没有发布关于“脑计划”的任何研究路线图；同样，美国国家科学基金会生物学研究主管、负责“脑计划”的约翰·温菲尔德（John Wingfield）也在2013年9月表示，该机构在发布项目计划前，会等待美国国立卫生研究院的报告，以避免在研究计划上出现重复。在神经科学方面，美国国家科学基金会每年大约只有1.5亿美元经费，而美国国立卫生研究院的经费则高达55亿美元。“我们经费有限，在制定研究计划时，很受限制，”温菲尔德说道。

与此同时，几乎每个人都在担心经费来源——特别是当种种迹象表明，美国国会不会为“脑计划”的首年运作再划拨任何资金时。新增的少量经费应该会来自美国国立卫生研究院：在它同意提供的4 000万美元的资金中，有1 000万来自自主资金。美国国立卫生研究院和国家科学基金会的官员保证，“脑计划”不会影响现有项目。但“脑计划”专项资金的缺乏意味着，这三家机构将不得不开始把一些正在进行的项目合并到一起。同样，“脑计划”的私立合作伙伴也大都倾向于坚持现有项目。索尔克生物学研究所（Salk Institute for Biological Studies）、艾伦脑科学研究所（Allen Institute for Brain Science）和霍华德·休斯医学研究所（Howard Hughes Medical Institute）都希望把“脑计划”当作是他们现有研究的延续。

经费问题

到2013年9月上旬，由于私立合作伙伴决定继续做自己的事，以及三家政府机构中的两家都保持沉默，科学家便对美国国立卫生研究院的报告寄予了厚望。在科学家眼中，这份报告成了事实上的、代表国家声音的“脑计划”时间表。9月16日，美国国立卫生研究院顾问委员会终于发布了这份中期报告，其中按照优先级罗列了若干研究课题。此前，许多人担心，这份报告会漏掉很多研究方向，但看到报告后，科学家们为其全面程度感到吃惊，其中囊括了所有与神经回路相关的神经科学研究。对大脑所有细胞进行分类、确定这些细胞间所有的解剖学联系、监测与操纵大脑细胞间的信号、建立大脑模型并模拟大脑——每位科学家都可参与其中。“这份报告可谓无懈可击，”密特拉说，“作者应该是考虑到了各种批评的声音。”

但当美国国立卫生研究院院长弗朗西斯·柯林斯（Francis Collins）正式接受这篇报告时，却对它的面面俱到有苦难言。“这些都是烧钱的研究，毫无疑问，报告所覆盖的研究方向，远非4 000万美元可以承担。”这些研究课题可能会影响未来数年的经费申请。“这不是几年就能完事的，”尤思特补充道，“这是一件需要15年以及30亿美元来做的事情。”

当美国国立卫生研究院顾问委员会着手准备2014年6月的长期报告时，他们面临各种艰难的选择：将研究的优先级分为短期、中期和长期目标，建立时间表，估算费用，以及确定未来几年能得到的成果——这个任务真的让人望而生畏，纽瑟姆评论道。

巴格曼也持同样的观点，“制定十年计划远比制定一年计划困难”。

一些参与“脑计划”的研究人员已经开始为一些问题感到头痛。例如，制作超高精度的大脑解剖图，在优先级上是否应该排在低精度大脑解剖图之前？但要知道，制作超高精度的解剖图时，需要使用电子显微镜，整个过程费时费力，而后者只需借助光学显微镜，在较短的时间内就能完成。

接下来还有管理问题。尽管这三个政府机构能够及时沟通它们的计划，但到目前为止，白宫都没有表现出更正式地参与协调的意思。这让一直主张建立“脑部观测站”（brain observatory）的尤思特忧心忡忡。与粒子加速器或巨型天文望远镜一样，“脑部观测站”作为一种跨部门联合机构，可为科研团体提供技术资源——它们对单个实验室来说，太大、太贵或者太专用，以致无法维持。尤思特警告说，如果没有更高层次的规划，这类计划不可能实现，同时“脑计划”的经费也会分散成由单个机构发放的小笔经费。“这样一来，整个计划的产出就成了各部分的简单堆砌”。

不过，包括巴格曼在内的一些科学家，则反对将有限的资源投在整体性、集中式的项目下。她说，“现在，我们还没到提出一种研究途径，它就可行的程度”。相反，她希望，通过资助不同的研究机构和人员，能够“孵化”出最棒、最有创意的想法，然后看看这些想法最终能得出怎样的成果。

在11月的神经科学协会（Society for Neuroscience）年会上，美国国立卫生研究院顾问委员会希望征求到更多神经科学家的创意。11月11日，数百名神经科学家聚集在加利福尼亚州圣迭哥会议中心（San Diego Convention Center）的33C房间里，向美国国立卫生研究院提出中期建议。比起6个月以前，他们总算对“脑计划”有了一点头绪，不过还需要继续探索它在未来的任务和意义。

本文作者 海伦·沈是《自然》杂志的记者。