脑科学时代的雷霆
吉永华
中国科学报
2015-02-11 17:35:48
但凡一个超级大国的崛起，无非遵循两条客观规律：一种是追求力量上的显示度，另一种则是寻求对力量的控制权。前者伴随内外环境的风起云涌，难免堕入力量此消彼长的演化宿命；后者则谋求与力量相适应的目标，避免失败。
自20世纪，几乎每届美国总统当政时期，便会雄心勃勃地释放出自己的“人类计划”：如，1961年第35任总统约翰•肯尼迪的“人类登月计划”；1971年第37任总统理查德•尼克松颁布《国家癌症法案》，开始吹响对癌症宣战的号角；1983年第40任总统罗纳德•里根提出一项使用最新的现代化技术为美国建立一个不可摧毁的导弹防御系统计划，史称“星球大战计划”；2000年第42任总统比尔•克林顿宣布，由一批国际科学家组成的“人类基因组研究计划”（HGP）已经完成人类基因组草图；2004年第43任总统乔治•布什推出“重返月球计划”，提议最早于2015年将美国宇航员重新送上月球，并以月球为跳板对火星等进行载人探索；现任美国总统奥巴马2013年4月2日在国会高调释出旨在探讨对复杂多维大脑活动记录技术的“推进创新神经技术脑研究计划”（简称“脑计划”）。
且不论美国这些庞大的“人类计划”其背后隐藏的政治目的，单就以创新驱动重设发展引擎，无疑科技引领性地位越发凸显。
回到主题，相较于“人类基因组”“攻克癌症”等计划，仅靠一个“脑计划”解析人体最为复杂的器官——大脑，显得渺无边界、摸不着头绪，为什么？如何做？可行性怎么样？2013年在美国南端圣迭戈湾畔落幕的美国神经科学年会，似乎释放出了攻克一连串“难点、疑点、盲点”的“脑计划”框架蓝图。
起势——为什么？奥巴马在“脑计划”提出伊始描绘道：“该计划的实施，目的是在于为科学家提供大脑动态活动的三维影像工具，更好地认识大脑如何思考、学习、记忆，从中获得的信息可以是、并将一定是——变革性的”。负责该项计划具体部署的美国基金委宣称：大脑奥秘的破解将是人类科学史上最伟大的成就。
从现实需求考量，全球由脑功能紊乱引发的多种神经系统疾病（如阿兹海默病、帕金森综合症，精神分裂症，躁郁症，自闭症，癫痫，注意缺陷多动障碍等）在所有15-49岁因病致残群体的比例中已高达22%。世界经济学论坛预测这些神经系统疾病将在未来的20年内成为世界性经济负担和亟待破解的难题。
另一方面，现代社会“你中有我，我中有你”的多学科、多层次、多角度、融会贯通式的整体性知识拓延模式，预示从不同层次探讨脑的奥秘，已不仅仅是当代生命科学范畴中一个涉及“脑功能与脑疾病”的重大攻关项目，且越来越有力地昭示“认识脑，绘制脑，重构脑”在通讯信息技术、计算科学、机械自动化中不可替代的理论指导和不可估量的实际应用价值。
蓝图——如何做？
“The human brain project is nothing if not ambitious.”看得高，才能望得远，这是“脑计划”诞生之初便设定的基调。如何保证这艘承载破解人类智力奥秘希望的“诺亚方舟”顺利启航呢？庞大计划的实施少不了精密组织架构的“保驾护航”。
美国NIH被任命直接主导该项目；美国国家科学基金会（NSF）、国防高级研究计划局（DARPA），以及其他几个私募基金会亦参与该项目的提案。
NIH方面，由院长Francis Collins亲自挂帅领衔的讨论会经过连续几个月的密集磋商，选举出一个由15位精英组成的“外部顾问团”（external advisory），他们将就以下几个议题谱写“脑计划”的壮丽序章和蓝图：1.确定优先发展领域“菜单”（如完善现有技术，开拓新增长点等）；2.制定“脑计划”实现目标过程中的原则性问题（如，协调各参与单位个人的合作关系，技术突破与科学问题求解倾向等）；3.谋求与其他基金会、公司或机构的外部合作机会；4.规划项目实施时间表、经费安排、局点事件等。
以这15位科学家为核心的“brain team”、整合神经科学、光量子物理学、纳米材料、分子生物学、计算科学等多学科交叉“脉络网”正紧锣密鼓地勾画“脑计划”实施的细节。从已披露的官方消息中知晓，NIH精心组织了至少四次针对性的专题研讨会，分别就分子生物学技术（5月，旧金山）、高通量记录技术（6月，纽约）、计算理论与大数据分析（7月，波士顿）、人体实验伦理与可行性分析（8月，明尼阿波利斯）。
2013年12月，NIH院长Collins汇总了所有专题会议精神，在历时半年的整理后，于2014年6月份由奥巴马政府亲自敲定“脑计划”的全局部署。
质疑——可行性？如何平衡科学研究“充满个性”的固有特质和国家战略性思维“通盘考虑”之间的矛盾将是摆在brain team面前的潜在“定时炸弹”。普遍的质疑声认为，“脑计划”的推行将会威胁其他学科的地位；同时，这项计划会不会是“酒瓶装新酒？
”，甚至是“炒冷饭”，即某些现行项目的简单复制、导致“重复投入”？以面向个人的NIH重头项目R01基金为例，该系列基金资助在神经科学部投入的总量仅为1%，因此“脑计划”对R01基金产生任何“蚕食”的担忧纯属多余。
另一方面，回眸运作“人类基因组计划（HGP）”的历史经验，在运行之初该项计划也遭到了包括许多R01资助者的怀疑和批判，但事实证明HGP施行过程中孕育出的大量革命性技术、分析方法、数据库为个体研究者提供了更好、更快、更高的技术手段，取得“双赢”的成效。
更多的“口水”来自神经科学界内部。
从“脑计划”本身的“不可确定性”和“无方向性”（Far more complex and open-ended）方面，这些“善意”的“挑刺”并非“鸡蛋里挑骨头”。
现任15人brain team“智囊团”“首脑”的美国斯坦福大学教授William Newsome指出：绘制脑图谱的意义好比一张城市交通地图，如果我们能越清楚地了解交通拥堵点的详尽资料（认识脑），就越能准确预测拥挤高峰产生的地点、时段（模拟脑），并采取相应措施排堵解难（改造脑）。
另有一些悲观主义者怀疑“脑计划”所带来“数据核爆”的可利用度？
如同上世纪80年代浩浩荡荡的“攻克癌症计划”，最终落得“宣告失败”的无奈结局？“这又是个鸡生蛋，蛋生鸡的无聊问题！”理论神经科学家Christian Machens反驳道：我们更应考虑的是“先有数据，后有研究价值”的问题，前提是必须明晰解构大脑奥秘对社会、经济、医疗的前瞻性，根据风险和贡献的不同收获不同的报酬。
“Once we know how the brain works, we’ll know how to look at the data.”面对“箭在弦上”的“脑计划”，“先有鸡还是先有蛋”的问题已不再那么重要，问题的本质在于“鸡”和“蛋”的区别。若专注一面，就相当于“杀鸡取卵”。
新技术的浪潮已把人类推进到了大数据时代的波涛汹涌中。
尽管如此，甚至计算生物学家对即将面临的“数据大爆炸”仍诚惶诚恐，在“脑计划”带来的数据量面前，Google搜索引擎的计算量简直是“儿戏”。大脑中的神经元数量丝毫不亚于全球互联网每天产生的数据包数目。所不同的是，互联网两个节点之间的关系是单向线性的，但神经元彼此之间发生的联系却可以是双向的、甚至是一对多/多对一、成百上千多种排列组合的非线性信号传输编码模式。
冷泉港实验室的一位生物信息学家Partha Mitra预言未来的数据处理模式将是“社会式”的（Sociological），这种方式对应大脑的信息交互机制，即下达一个指令（目标问题），发动多学科、多渠道共同解决（突触式联系）。
换言之，未来十年神经科学的研究思路将从“结构-功能”单向信号通路的逐条探明，走向用“系统行为组”（Behavior-omes）的视角点看待受时空表达、微环境因素整合调控的神经网络环路——“脑功能联接图谱”最终反映的是量化脑活动、脑结构和整体行为的“联接组”（Connectome）。
历数以往各项美国总统计划的开拓路程，主导美国科技政策的上层清醒地意识并反复强调“脑科学计划”无与伦比的长期性，艰巨性，复杂性和挑战性！该计划将在激论和冲撞的博弈中不断充实完善。
欧盟脑计划——局部抗衡或世界大战？
无独有偶，在奥巴马吹响向脑科学进军的号角前夕，欧盟也公布了另一项“人类脑计划”（Human Brain Project, HBP）。由于时间上的偶合，不禁让人联想起在四十年前，同样是美欧两大超级帝国阵营美国和前苏联的一场绵延数十年的冷战。所不同的是，这次美欧采取了携手并进的姿态，互为扶持配合地共同打响一场跨越国家地域范围、学科领域和时间限制的脑科学“世界大战”。
与美国正持续发酵酝酿的“脑计划”不同，HBP更像是一项“蓄谋已久”的庞大战略体系。经过为时30个月的谋划，早在2012年4月，欧盟委员会（European Commission）就发布了该计划的详尽报告。2013年10月，欧盟更是将HBP作为2个未来及新兴技术旗舰计划（FET-Flagship）之一。
项目分四步走战略规划，每一个节点性目标都建立在现有工作的基础之上，并为下一步研究起助推剂作用：1.基于单点突破的神经科学研究方法和分析工具的建立与全球共享；2.根据已有数据，绘制脑图谱、构建脑模型；3.提供基于新模拟理论的相关技术沿革，向神经科学家、临床研究人员及计算技术开发人员提供服务；4.开发初级模型和原型技术，在基础神经科学、医学和计算机技术的应用方面发挥作用。
预计欧盟在今后十年将为HBP投入的总经费约为11.9亿欧元，其中8,000万欧元用于快速启动阶段，6.73亿欧元用于运作阶段，4.37亿欧元用于可持续发展阶段，来自欧盟委员会的资金约为6.43亿欧元。目前，HBP已在全球范围已招募涉及22个国家、81个合作研究所、135个研究团队和超过250位研究人员共同参与。
两大“脑计划”同盟国虽总体步调保持一致，但在战略据点设置上各有倚重：美国的“奥巴马脑计划”倾向于技术层面的突破，包括通过大规模记录技术评估神经元回路的活动、数据储存和分析工具的优化研发等；欧盟的HBP则偏向数据采集工具和计算模拟软件平台的构建，如高性能计算机（High performance computer）、神经机器（Neurobotics）等。
中国脑科学之路？
中国在《2006-2020国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确地提出“要加强我国在脑功能、脑重大疾病、脑的高级认知功能、脑信息表达与处理以及人脑与计算机对话的研究”。
国家“973”计划项目先后启动了“脑功能与脑疾病”、“脑功能动态平衡调控”、“脑结构与功能的可塑性研究”和“人类智力的神经基础”等课题；国家自然科学基金委启动了“视听觉信息的认知计算”、“情感和记忆的神经环路基础”等重大研究计划；中国科学院启动“脑功能联结图谱”先导科技专项，……。
2013年5月底，国家科技部组织了脑科学战略研讨会，宏观整合我国脑科学研究力量，进行前瞻性布局；2014年3月，教育部属下18所高校和附属医院近50名“杰青”、院士，由曾历任“八五”期间攀登项目“脑功能及其细胞和分子基础”和973项目“脑功能和脑重大疾病的基础研究”首席科学家的杨雄里院士领衔，成立了教育部专家咨询组和工作组，共同研讨如何制订、实施“中国脑计划”；2014年11月2日，科技部正式实质性地启动以脑健康为目标，认识脑、保护脑、发展脑，探索科研体制机制创新的“中国脑计划”，标志着中国的“脑”梦已然启航。
无论是从“自上而下”为主的“大科学”和以强调科学探索为主的“小科学”层面，中国神经科学跨越地挤身国际前沿的条件已然成熟。
相比国际范围内热火朝天、你来我往的态势，中国宛如一趴在窗头向外探头张望的清纯孩童，欲退还迎，始终“捅不破那层纸”。或许，“中国还处于追赶阶段，研究基础薄弱”的声音还占着主导；或许，小农思想的文化“天坑”还在等待“脑图谱免费公布于众”的那一天；在唯CNS是举，唯SCI、影响因子为量化考核指标的“雾霾”天空下，我们期待的也许更多……
在“人类基因组计划”宣告成功的十年后，我们可能还有资格为以华大基因为主体毅然决然投入1%参与度的先见之明沾沾自喜、拍手称好。在欧美兴起这轮“脑计划”浪潮后的十年，我们还能指望一两个企业的个体局部行为掀起覆盖神经科学、信息技术、机械工程等领域的全局性变革吗？
法国作家罗曼罗兰曾说过：“成长就是将所有以前被装下去的东西都吐掉的过程，然后重新进食，因为你知道自己是在寻找一种答案。”身处激流中的我们，在习惯了“进口”技术、“拿来”思想的“喂饱”之后，是不是该想想什么时候“一吐为快”，迎头而上地搏击时代的洪流，在行进中找寻属于我们自己的“中国梦”呢？
习近平主席在2014年6月中国科学院工程院院士大会上强调: “机会总是留给有准备的人的，也总是留给有思路、有志向、有韧劲的人们的。我国能否在未来发展中后来居上、弯道超车，主要就看我们能否在创新驱动发展上迈出实实在在的步伐”。
雷霆正轰隆袭来，破解中国脑“梦”的征途中，避免赢得战役，输掉战局，我们必将步履无比坚定地迎接着“抉择”的考验！
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作者介绍：上海大学神经生物学教授，yhji@staff.shu.edu.cn
本文已见刊于《自然杂志》第37卷第1期