《科学》详解美国大脑活动图谱项目
作者: 段歆涔 / 5230次阅读 时间: 2013年2月26日
来源: 中国科学报 标签: 大脑
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《科学》详解美国大脑活动图谱项目——关于人类大脑活动图谱的9个问号心理学空间8hg4Cre

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作者:段歆涔

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BAM何以同人类基因组计划相媲美,以及又如何值得数十亿美元的投资?

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图片来源:Thomas Schultz/Creative Commons

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9S W^s&Fsw/?0美国《纽约时报》于2月18日披露:奥巴马政府将在下一财政年度的预算中为一项重大研究课题——大脑活动图谱(BAM)项目拨款,这项研究最终可以极大地拓展人们对人类大脑健康和患病状态的认知。《科学》最新撰文,详尽解释了BAM何以同人类基因组计划相媲美,以及又如何值得数十亿美元的投资,力图让公众了解BAM的真正价值。心理学空间2@i8O_*b G`.~hjT

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何为大脑活动图谱

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可以说神经科学家目前只能对大脑活动进行粗略的测量。他们可以通过正电子发射计算机断层扫描技术(PET)或核磁共振成像技术(MRI)并借助介质例如氧气,对大脑广阔区域的活动进行探测,或者测量单体或少数的神经元电活动。一些神经科学家将数码成像或者电视筛选技术所存在的问题和正确的解决方法相对比,认为PET和MRI缺乏对细节的描绘,会产生很多模糊的图像,而将焦点集中于少数的神经元就好像近距离地观看低像素的照片,失去了整张的画面。研究者普遍认为批判性思维,例如思考和认知产生于这两个极端之间,需要数千到上百万不等的神经元参与。现在,研究者还不能对如此大规模的神经元集成活动进行观测。为了绘制人类大脑活动图谱必须研发新方法,从而可以在动物模型条件下绘制图像以及跟踪大量的细胞活动,然后再去寻找一种安全的方式将该方法应用于人类。目前还不清楚该项目将着眼于哪一种大脑活动图谱的绘制,但是理论上,这种新方法可以帮助科学家理解导致大脑不协调的因素,例如癫痫和精神分裂症,这些疾病被怀疑始发于不同大脑区域间不正常的神经连接。心理学空间#X hc1qw:fN#m I

5_/fW)Em{s0谁将参与

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美国国立卫生研究院(NIH)将极有可能主导该项目的研发;国家科学基金会、国防高级研究计划局(DARPA),以及白宫科技政策办公室(OSTP)亦参与了该项目的提案。卡夫利基金会是开发和推广该项目的领头羊,除此之外还有艾伦脑科学研究所和霍华德·休斯医学学会(HHMI),它们都是神经科学研究的支持者。上个月,微软、谷歌,以及高通公司亦参与了一场旨在探讨如何从该项目中分析数据的研讨会。

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由何而来心理学空间le ?)X"Ew

0Y ~'? paD)Ih02011年9月,在一个于英国召开的并由卡夫利、艾伦和盖茨基金会共同赞助的会议上,主持个人基因组项目的分子遗传学家George Church,以及来自卡夫利基金会的哥伦比亚大学神经科学家Rafael Yuste提出的提议引起了轩然大波。该提议内容是:通过广泛的、协调一致的努力来开发一项新技术,用于追踪人类大脑的功能连接活动,最终达到可以测量每一个神经元活动的水平。尽管一些与会者持怀疑态度,但Yuste说,这份提议已经引发了足够的热情,从而形成了一本白皮书,其间由卡夫利基金会科学项目副主席Miyoung Chun主导的推广活动,最初始于2011年12月同NIH、DARPA和OSTP举行的一系列会议。

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2012年1月,该项目的良好势头在圣塔莫妮卡召开的第6届卡夫利未来研讨会上得以延续。紧接着,一篇发表在《神经》杂志的论文充实了项目的研究目标和细节,并说明主要集中于动物研究。2012年7月,随着OSTP对该提议提出要像人类基因组计划那样在科学和科技领域具有重大挑战性的要求,Chun以及其他《神经》杂志的合著者与联邦机关的官员(尤其是OSTP政策司副司长Tom Kali)一道,对提议进行了修改,使该项目更多地关注对于人类的适用性。

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是否真的聚焦人类大脑心理学空间'R3d7O*WZZ,j$S

OD?i!S`RZ0该项目早期的描述主要集中于动物模型,并没有涉及到很多对于人类大脑的研究。但是在Chun及其同事与联邦机构最后几个月的对话中,课题小组加强了对于人类适用性的研究,并邀请其他研究者,例如研究大脑控制修复技术的John Donoghue加入到会谈中来。Yuste说,与OSTP以及NIH的合作,极大地推动了该课题向着更具有“社会责任”的形式转变,并且与病人护理建立了实践联系。该项目新强调的部分可能对其实际研究范围之外的一些难题作出回应;例如,《纽约时报》暗示科学家尝试在未来10年内构建一种人类大脑活动的综合图谱。来自弗吉尼亚州HHMI Janelia农业试验站的执行董事Gerald Rubin说,实际上,该项目更多地关注动物模型的研究。他在一封邮件中写道:“《纽约时报》的文章并没有很好地体现政府计划中对于研究范围的要求。尤其是由于科学和道德的原因,头10年里大量的资金将会被用于‘模式生物’的实验中。”

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该项目的计划书显示的实际所需时长要比《纽约时报》所暗示的长很多。根据计划书,5年以后,科学家将可以监测秀丽隐杆线虫几乎整个的大脑活动,该生物的大脑拥有302个神经细胞和大约7000个神经节点。10年之后,科学家预期可以完成拥有大约13万个神经细胞的果蝇的整个大脑图谱的绘制。15年后,预计可以观测斑马鱼的大脑活动,或老鼠大脑皮层中一些区域的活动。

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*^!@Jf$W$y/ShAZ^0白宫提议究竟怎样心理学空间p;{j%]Z g U

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NIH和其他联邦机构目前并未发布详细的提议。但是,根据《神经》杂志上的论文以及《科学》获得的一份最新更新的文件显示,Chun和他的同事建议以科技发展为初始目标,并划分了4个阶段:第一阶段,他们提议集中研发新影像工具,可以利用光去穿透脑组织,探测并操控细胞功能;第二阶段,通过利用新一代的电子探针,同时监测和操控大量的细胞;第三阶段,利用最新的纳米技术,对单个神经细胞内的活动进行实时汇报;第四阶段,利用人类基因组计划的灵感,建立数据分析和共享系统。

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根据《纽约时报》的文章,科学家希望在接下来的10年内每年获得3亿美元的科研资金,这一数字可以与每年耗资3.8亿美元的人类基因组计划相媲美。但是文章没有对该预测作出任何详细说明。(NIH的官员说他们在总统2014年度预算公布之前不能对项目资金给予任何评论。)目前还不清楚有多少资金将来源于符合BAM研究课题的被重新包装的已有神经科研项目。卡夫利基金会预计会为该项目每年提供400万到500万美元的科研资金;HHMI以及艾伦脑科学研究所将负责该项目中一部分的相关工作。心理学空间@j@ j/Mynl

nWp_a9n8Q#~M0是否有争议

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这是毫无疑问的。由于资金短缺,被科研机构驳回的资金申请书比例越来越高。该提议是一项比人类基因组计划更具有野心的项目,测绘静态的人类大脑回路图,这本身就遭受了很多批判。而社会媒体上众多科学家的评论,也标志着它的出现重新点燃了究竟应该资助大科研工程还是独立调研者的争论。但是,美国国立神经疾病与中风研究所所长Story Landis暗示,该项目最初着眼于开发新技术,而这一过程通常是在独立实验室,而非大型科研中心中完成的。

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来自纽约冷泉港实验室的神经科学家Partha Mitra认为,该项目所提议的众多新发明,例如可以穿透脑组织的新光学技术,仍然属于科幻范畴。同时,他补充说,该项目在调研阶段并未与神经科学界开展广泛交流。他比较认为这一过程不及最近获得资金的旨在为大脑活动构建电脑模型的欧洲人类脑计划,后者的酝酿包含了更多的公共讨论。(尽管如此,欧洲人类脑计划也因为具有过多的假设而非从现实出发而招致批判。)

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8L'{jGcO;q9r0Yuste解释道,人类基因组计划初次提出时也曾饱受反对者的攻击。他说,尽管测绘人类大脑活动图谱是一项更艰巨的任务,但这一巨大的挑战是刺激新工具的研发以及跨学科的科学家通力协作所必需的。他认为,作为一门科学,神经科学已经到了破旧革新的阶段。他希望这项神经科学项目可以像其他大型科研项目,例如美国国家纳米技术计划和人类基因组计划一样,为该科学领域赢得关注。

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有可能通过吗

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Y-g bt ~9g,|5r0对神经科学研究的兴趣历来是两党共有的,但目前还不清楚对于该项计划的讨论是否已经从白宫扩展到国会。大多数科研机构正在减少,而不是增加大型的新研究课题。而且如果NIH的预算被缩减5.1%,那么该机构将不会把如此大量的资金投入到这一新项目中。

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