脑计划发展概览与经验学习


周不润, NeuroTimes   |   Feb. 2, 2016



美国总统奥巴马在2013年初的国情咨文中表示,脑计划(BRAIN Initiative)会让科学达到一个自太空竞赛以来从未见过的高度。可以预见,在这场“太空竞赛”里,各国都在奋勇向前。

脑计划概览

目前,世界的主要脑计划项目有:
美国BRAIN Initiative:第3年,共12年,初期开发新工具,后期着重研究健康和疾病状态下的 neural circuit
欧洲Human Brain Project:第3年,着重于大规模计算建模,建立脑数据库的信息学标准。
日本Brain/MINDS:第3年,集中研究灵长类动物,人脑部疾病建模。
加拿大Brain Canada:第2年,多学科多中心神经科学研究。
韩国:第2年, 重点为 neural circuits和brain imaging。
台湾地区:计划中,包含神经退行性疾病、慢性疼痛,重点开发新工具和技术。
Allen Institute:共10年的brain circuit project,共享数据和工具的系统开发,研究小鼠和人类的视觉系统。


欧美脑计划现状

美国

美国BRAIN Initiative的第一轮基金约1亿美元,目前运行良好。然而前期经费主要用于每个实验室各自的技术开发,并没有国家层面的集体合作开发。这也许是潜在的问题,每个人都在做自己的项目,每个人都有自己的实验范式,互相之间难以理解。Christof Koch说过,对于神经科学家来说,他们宁愿共用一支牙刷,也不愿用同样的实验范式。与基因组计划或者物理学工程相比,神经科学充满个性,很难共同工作。

而在去年SFN的会议上,参会者讨论并呼吁建立国家级脑观测平台National Brain Observatory,分为3个领域的改进,和1个新领域的探索。

1. 改进计算能力,以更快地进行brain mapping;
2. 改进大脑扫描技术,获得更高的扫描分辨率;
3. 为连接组开发更好的电镜和荧光显微镜等;
4. 准备开发纳米设备,研究在体状态下的连接组。

目前,一个项目已经开始利用阿贡国家实验室的设备了。很明显,BRAIN initiative在计划建立一个国家级平台,尽管平台的建立需要能源部长Ernest Moniz的许可,目前看起来希望还比较大。

欧洲

相比美国的顺风顺水,欧洲脑计划充满了坎坷。仅仅三年,Human Brain Project(HBP)早已饱受质疑甚至嘲讽,混乱不堪。
与美国相比,欧洲脑计划建立在了一个单一的理想上:用超级计算机模拟人脑。仅在欧洲内部,神经科学家对Human Brain Project的态度也有着巨大的分歧。2014年7月,800多名科学家签名反对HBP的科学研究和管理方式,认为研究项目太过狭隘,项目设置不够透明。27位科学家组成的调解委员会进行调查后,呼吁对整个HBP进行彻底修正,不仅要重新设置管理层,还要修改科学目标。HBP现在正在经历全面重整,以后的项目目标以及可能的运作模式都是未知数,但暂时的挑战是“努力重获科研及大众的信心”。

虽然对HBP模拟大脑以理解大脑和治疗神经疾病的目标不报以幻想,还是有不少人认为,HBP有可能为神经科学开发计算工具、实现数据整合以及建立数学模型,这也会是巨大的贡献。

中国脑计划

2015年10月24日,在深圳国际基因组学大会上,根据中国科学院神经科学研究所所长、中国科学院外籍院士蒲慕明的报告介绍,“中国脑计划(China Brain Project)”不久会公布。

名称预定为“脑科学与类脑科学研究”(Brain Science and Brain-Like Intelligence Technology),主要有两个研究方向:
1. 脑科学研究:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向;
2. 类脑研究 :以建立和发展人工智能技术为导向。

该计划将作为我国六个长期科学项目工程中的一个重要项目,长期资助,资助时间长达15年(2016-2030年)。

该计划主要解决大脑三个层面的认知问题:
1)大脑对外界环境的感官认知,即探究人类对外界环境的感知,如人的注意力、学习、记忆以及决策制定等;
2)对人类以及非人灵长类自我意识的认知,通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成;
3)对语言的认知,探究语法以及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

除此之外,中国脑计划还有望建立一个脑图像国家平台,一个有关大脑功能失调的血液生物库和大脑生物库以及大脑健康训练和教育中心。

脑计划的影响因素

脑计划,尤其是欧美和中国的大型脑计划实施有几个重要的影响因素:

标准化:
基础信息的标准化,如细胞。细胞的种类、位置、形态、投射状态、转录组等等都可以成为数据库中的标准化信息,为神经回路研究提供系统化信息。更复杂的如电生理、影像、行为学数据的标准化,关于这些标准化是否能实现、是否有好处的争论正在继续。

共享:
数据共享:数据的重复使用和研究的可重复性。
资源共享:实验动物模型的建立费时费力,如何共享。

训练:
理论和计算模型越来越重要,新一代的神经科学家将会来自各个学科,拥有不同的知识和工具。大量的数据产生,尤其要求整合实验和计算分析、建模、构建理论的能力。因此将会建立多学科的科研训练中心,并加强不同研究组之间的交换。

资金:
资金的稳定性仍然不敢保证,即使是12年的美国BRAIN Initiative,也需要每年审批并随着政治局势而波动。
私人组织和基金会很重要,如 Allen Institute和 Janelia Farm的项目。 Simons Foundation和 Kavli Foundation同样在出资支持神经科学研究。

虽然我们对大脑的理解十分有限,但相比过去的太空竞赛,各国的脑计划已经已经不算是摸着石头过河了。至少,人类基因组计划的顺利实施,给脑计划带来了宝贵的经验。

基因组计划领导人的经验之谈

去年,人类基因组计划的3位领导人,Eric D. Green, James D. Watson和Francis S. Collins,在Nature上回顾计划的25年,以及在此过程中学到的经验。

人类基因组计划是首个大规模的生物项目,不仅为今天的科学研究带来了更多的灵感,也是如今科研团队合作的基础,为各个大型科研项目提供着宝贵的经验。

他们提出了6条经验,分别是:

    1. 通力合作:一方面汇集大量资源和人力,另一方面专注于能够启发后续研究的基础信息,而非传统的先提出假说再进行研究。
    2. 数据分享最大化:改变了数据分享的传统,数据分享量和速度都大幅度增加,也加大了现在的数据分析和计算平台的需求。
    3. 有计划地分析数据:在计划之初就开始计划数据的分析,减少将来分析的难度。
    4. 优先发展技术:技术的革命性进步催生了大量的发现,如今的美国脑计划BRAIN也是从人类基因组计划中学到的经验。
    5. 关注社会影响:隐私和伦理也是大型计划的关键组成部分,不能忽略。
    6. 大胆而灵活:项目启动很大胆,中间过程可以反复调整更新,要保持开放的心态。这个原则成了目前多个大规模计划的规范。

基因组计划领导人的经验之谈都浓缩的厉害,里面有大量的细节需要去探索。而从其他角度来看基因组计划与脑计划也很有趣,例如,社会效应。


纽约大学医学伦理教授Arthur Caplan,跳出了技术的角度,从社会和伦理的角度,从基因组计划的经验教训总结中,提出了脑计划过程中应该警惕的问题,尤其是其可能带来的巨大社会影响。

基因组计划曾经面对的挑战:
基因组计划开始于1990年,当时美国的政治环境适于私人资本参与大型研究计划,很多人认为私人公司进行基因组计划更有效、更经济。因此Celera Genomics公司与其他公司一起,于1998年参与到基因组计划中。很快Celera就成了政府基因组项目的主要对手,号称可以用少的多的预算(1/10)更快地完成基因组计划。2001年Celera与政府基因组项目同时发表基因组工作草图。

当时产生的问题就是,谁能够拥有这些基因组信息。Celera当时拒绝把数据等信息放到公共数据库中,这就导致:私人公司能用政府基因组项目的公开数据,大批政府基金下的科学家用不了私人公司的数据,并没有法律条款能够保证其公正性。大多数科学家当然希望数据可以共享,但像Celera这样的公司希望用收益回报投资者。直到发现模糊的基因组数据并没有真正的商业价值,才最终把数据公开出来。

对脑计划的启示:
粗糙的基因组map并没有什么商业价值,但精细的基因组map可以为个性化诊断和医疗带来巨大价值。这就为脑计划带来了启示:初期粗糙的brain map公开数据并没有太大作用,如果不能保证后期逐渐精细起来的brain map一直保持公开,很难推动大脑研究的进一步发展。但很难保证个人公司会不会公开数据,虽然现在还没有个人公司的加入,不过谁也不能保证这些公司会不会如Celera一样在后期加入。

此外,个人brain map数据能不能分享,需不需要知情同意,什么样的数据信息可以申请专利,这些都是需要尽快解决的问题。

某些基因组的东西被发现是有利可图的,例如deCODE和23andMe现在在做的事情。那么几乎可以肯定的说,即使刚出来的brain map数据还不完整,新的“大脑诊断”、“测谎”、“大脑侦探”将在网络和生活中出现。只需要某种扫描仪,加上有疑心的配偶或小心谨慎的雇主,就足以冒出一大票号称可以测谎、性格分析、检查有没有出轨的骗子公司。这种情况在基因组计划开始的时候是没有料到的,也许脑计划可以做好准备。

基金的来源:
基因组计划一直为他们的基因来源渠道广泛而自豪,但后来发现这种想法sometimes naive。拿了美国国防部高等研究计划署的钱,才知道他们看重的是国家安全和军事应用,数据经常不允许公开。这与很多NIH或NSF资助下的科学家价值观相悖。而私募基金投资的目的在于创造经济价值,它们需要科学家们向产业化方向发展,不鼓励基础研究。在脑计划中,很多科学家可能会与不同基金的不同要求产生矛盾。

终点是什么:
什么时候才算是脑计划的完结。2001年人类基因组工作草图的发表被认为是人类基因组计划成功的里程碑。然而基因组计划首次推出时,大多数人认为非编码DNA是“垃圾”,不用去管。那么在脑计划中,什么是最需要关注的?connectome?胶质细胞还要不要关注?开发新技术的话,分辨率多高算是完成了要求?空间上,可以观察一个神经元?还是精确到1mm?时间上,精确到1秒,还是1毫秒才够?

宣称的价值与实际的差异:
基因组计划刚开始的目标是解决所有遗传疾病,克林顿当时说要“revolutionize the diagnosis, prevention and treatment of most, if not all, human diseases.” 而到了基因组计划完成的15年以后,解决所有遗传疾病还是个遥遥无期的事情。当希望从公众和国会拿钱的时候,承诺和目标总是比较夸张,脑计划需要对自己的承诺更加谨慎,避免使纳税人太失望。

用谁的脑或基因组
基因组计划当时花了大量的时间讨论隐私问题,最终决定只使用几个志愿者的基因组进行测序,不过招募了很多志愿者,没有告诉他们用的是谁的,避免了很多伦理难题。

脑计划的问题在于,用多少人、什么样的人进行map才够。只用正常人,还是也用精神疾病患者和发育障碍患者?最好有少数的一组人能够代表人类最广泛的情况,但这样又不确定个体差异会对brain mapping造成哪些影响。

转化到实际中并不简单:
基因组计划刚完成的时候,随着媒体报道的爆炒,很多诈骗事件也爆发,例如:通过DNA分析预测儿童的运动成绩,什么样的饮食适合于一个人的基因组,血统检测,甚至是识别最适合的配偶。
民众对于脑科学的一些基本概念还不理解,很容易被骗。例如很多人不能接受脑死亡,觉得跟植物人的状态并没有什么不同。他们同样会被这些虚假信息所欺骗。

Arthur Caplan总结,基因组的经验告诉我们,基因组和脑计划除了带来具体研究成果以外,还产生了巨大的社会责任,它要求科学家必须揭穿那些炒作、消除公众不必要的恐惧,并努力预防不正当使用科研结果造成的欺骗事件。


References:
1. Huang, Z. Josh, et al. "It takes the world to understand the brain." Science 42 (2015): 44.
2. Alivisatos, A. Paul, et al. "A National Network of Neurotechnology Centers for the BRAIN Initiative." Neuron 88.3 (2015): 445-448.
3. Green, Eric D., James D. Watson, and Francis S. Collins. "Twenty-five years of big biology." Nature 526 (2015).
4. Marcus, Gary F., and Jeremy Andrew Freeman. The Future of the Brain: Essays by the World's Leading Neuroscientists. Princeton: Princeton UP, 2015. Print.




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