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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
作者:段歆涔
来源:中国科学报
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?
图片来源:Thomas Schultz/Creative Commons
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。
何为大脑活动图谱
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。
谁将参与
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。
由何而来
2011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。
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。
聚焦人类大脑
是否真的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。”
项目持续多久
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。