國內外腦計劃路線規劃設計、進展揭秘

《2017十三五新材料技術發展報告》

腦科學，從狹義上來講就是神經科學，是為了了解神經系統內分子水平、細胞水平、細胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統內的整合作用而進行的研究；從廣義上講是研究腦的結構與功能的科學，包括認知神經科學等等。腦科學是二十一世紀最富有挑戰性的重大科學問題之一，是引領未來新的經濟增長點及科技革命的前沿技術。腦科學技術的發展對人類的健康、新一代人工智慧技術及新型信息產業的發展等具有非常重要的意義，是國際科技競爭的重要戰略領域。但是，腦科學研究涉及的領域非常廣泛，而且單單是神經系統層面上對大腦的認知都還存在著大量的問題。因此，世界各國與國際組織普遍重視腦科學研究，紛紛制定相應的腦研究計劃，並積極開展跨學科、跨領域間的國際交流與合作，搶佔新一輪科技革命發展的制高點。

國外腦科學計劃路線情況

美國腦計劃

1.美國「BRAIN計劃」路線規劃設計

2013年4月，美國宣布啟動「推進創新神經技術腦研究（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN）計劃」，簡稱「BRAIN計劃」，其目的是描繪出大腦活動的動態圖像，對大腦功能和行為之間的聯繫進行研究，並了解大腦對信息記錄、處理、應用、存儲和檢索的過程，改變人類對大腦的認識；進而找到治療、治癒腦部疾病的新方法。該計劃為期10年，前5年主要側重於技術開發，而後5年主要關注於技術的整合。

2014年6月，美國腦計劃發布了如何實施的綜合性文件《BRAIN 2025：科學願景》，其主要任務為發現多樣性、多種層面的圖譜、大腦活動、證實因果關係、確定基本原理、推動人類神經科學的發展、從「BRAIN計劃」到大腦。

2.美國「BRAIN計劃」參與機構與研究領域

美國「BRAIN計劃」涉及的合作夥伴非常廣泛，主要有聯邦機構與非聯邦機構兩類。聯邦機構包括美國國立衛生研究院、國家科學基金會（NSF）、國防高級研究計劃局（DARPA）、美國食品和藥物管理局（FDA）、情報高級研究計劃署（Intelligence Advanced Research Projects Activity, IARPA）；非聯邦機構涉及基金會、科研院所和產業界，共包括大腦與行為研究基金會、艾倫腦科學研究所、波士頓大學、西北太平洋神經科學區域聯盟、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、黑石集團等在內的25家機構參加。

美國腦計劃啟動之初在9個領域展開研究：普查並統計腦細胞類型；創建腦結構圖譜；開發大規模神經網路記錄技術；開發操作神經環路的工具；將神經細胞與個體行為之間建立起相對應的聯繫；將神經科學實驗與理論、模型、統計學相整合；描述人類大腦成像技術的機制；創建機制以支持收集人類數據；知識傳播與培訓。

而在最新的報道中，2017年美國腦計劃重點關注三個領域的研究，分別為通過基因表達、形態和連通性對腦細胞進行分類；開發人腦成像技術；用最新的生理和解剖技術來確定特定神經環路對行為的影響。

3.美國「BRAIN計劃」研究進展

2017年10月，美國國立衛生研究院針對「BRAIN計劃」宣布了多項支持政策。

首先，美國國立衛生研究院宣布第四輪資金獎勵政策為「BRAIN計劃」提供1.69億美元的資金支持，對此前取得重大進展的腦部細胞功能及分類的詳細普查研究、開發及改進人腦成像技術及腦活動全圖繪製共三大領域繼續進行研發投入。其次，美國國立衛生研究院啟動「BRAIN計劃」細胞普查網路（BRAIN Initiative Cell Census Network, BICCN）工作。最後，美國國立衛生研究院對「BRAIN計劃」研究中可能產生的倫理問題研究進行資助。

此外，在2018年2月26日的國會技術報告會上，公布了「BRAIN計劃」的最新進展。在報告中，強調了動物研究對於腦計劃的重要性，這些都是為了實現對人腦全面認知必須經歷的過程。

歐盟腦計劃

1.歐盟「人腦計劃（HBP）」路線規劃設計

歐盟「人腦計劃」（Human Brain Project，HPB）是由「藍腦計劃」（Blue Brain Project）發展而來。「人腦計劃」將持續10年，歐盟委員會和參與國將提供近12億歐元的經費支持，最初該計劃分為3個階段，最初2.5年為快速啟動階段，接下來4.5年為計劃的運作階段，最後3年為穩定階段。

2.歐盟「人腦計劃」研究領域

歐盟「人腦計劃」的重點研究領域主要有四方面：

第一，人腦計劃的核心是採集必要的戰略數據來繪製人腦圖譜並實現人腦模型的建立；

第二，搭建全新的醫學信息學平台彙集全世界的臨床數據，通過模型的建立使醫學研究人員得以提取更有價值的信息，促進新的治療手段和藥物的開發；

第三，通過對腦的構築和環路的研究，用於開發新型計算系統和機器人；

第四，人腦計劃還有一個「倫理和社會項目」，研究實現該項目的過程中所可能帶來的倫理和社會問題。

根據這四個研究領域，「人腦計劃」下設了12個子項目，分別為小鼠腦組織項目、人類腦組織項目、系統和認知神經科學項目、理論神經科學項目、神經信息學平台項目、大腦模擬平台項目、高性能分析和計算的平台項目、醫療信息平台項目、神經擬態計算平台項目、神經機器人平台項目、服務中心項目、倫理和社會項目。

3.歐盟「人腦計劃」研究進展

歐盟「人腦計劃」快速啟動階段順利完成，並正式進入運作階段。在快速啟動階段，「人腦計劃」完成了6個信息平台的搭建工作，這6個平台包括：神經信息學平台；大腦模擬平台；高性能計算平台；醫學信息平台；神經擬態計算平台；神經機器人平台。2017年10月24日歐盟「人腦計劃」將上述六大平台集成入一個新平台——HBP聯合平台（HBP-JP），方便科研用戶和臨床用戶使用HBP提供的統一資源與服務，包括成果、工具、軟體、硬體架構、模擬環境等。

目前，「人腦計劃」正處在「SGA1」（Specific Grant Agreement One）階段，其在多項任務中取得了新的進展。在人腦組織項目中開發了全球最大的核磁共振磁體用於獲取大腦高解析度圖像以及對獲取的數據進行規範化；小鼠腦結構的研究促進了神經網路模型的建立，與人腦結構的對比則有助於了解複雜神經網路對動態信息處理的原理；在擬態神經計算領域，首次在硬體上獲得了活動的非線性神經突觸；理論神經科學領域，成立了歐洲理論神經科學研究所，探索了大腦中特定的功能與神經連接的聯繫，發現了大腦皮層中新的特定類型的網路拓撲結構。

日本腦計劃

1.日本Brain/MINDS計劃簡介

日本在2014年6月啟動了其國家腦計劃Brain/MINDS（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies）。該計劃將在10年內受到日本文部科學省以及日本醫療研究開發機構總計400億日元（約合3.7億美元）的資助。日本腦研究計劃第一年將投入30億日元（約2700萬美元），以後逐年增加。日本的大腦研究計劃使用狨猴為動物模型，這可以彌補嚙齒類動物研究所帶來的缺陷，尤其是在疾病研究領域。狨猴的行為和人類非常接近，是研究帕金森和阿茲海默症等人類疾病最理想的模型。通過研究狨猴的社會交往能力，如眼神交流能力、家庭化生活等方面，也有助於理解人類大腦相似功能的形成機理。

2.日本Brain/MINDS計劃研究領域與機構

Brain/MINDS計劃主要由日本47家研究單位的65個實驗室組成，同時還包括數個合作國家。日本腦計劃的核心任務是狨猴大腦的研究，從微觀的基因分子水平到宏觀的腦電觀測。由於狨猴大腦更像人類而且結構緊湊，這有助於科研工作者更好的認識人類大腦。同時狨猴可以通過基因修飾模擬腦部疾病，這對精神類及神經類疾病的診斷和治療帶來幫助。Brain/MINDS計劃主要分為三個研究小組：慶應大學Hideyuki Okano項目組、理研腦科學研究所Atsushi Miyawaki博士項目組、東京大學Kiyoto Kasai博士項目組。

3.日本Brain/MINDS計劃研究進展

在狨猴大腦圖譜繪製領域：開發了針對靈長類動物全腦高速高分辨成像方法，開展了狨猴大腦多維度多尺寸測繪以及功能區超細尺度的測繪，並針對測繪結果分析了狨猴大腦的結構和功能；發布了狨猴大腦三維成像方法和分析系統。

在腦圖測繪技術領域：利用新型半導體光源開發超解析度多光子顯微鏡；開發了新的可快速且長期記錄神經元活動的三維影像技術；為了減少世代間隔，開發了新的狨猴胚胎基因操控技術；為了研究大腦的高級功能活動，研發了新型雙光子顯微鏡用來觀測狨猴額葉皮層側區的多神經元活動。

在臨床領域，針對神經類的疾病研發早期鑒別方法和鑒別標記物，並對疾病的發病機理和歷程建立模型；精神類疾病則針對發病神經網路的傳遞特徵、神經系統與情緒間的內在聯繫、精神障礙患者與靈長類動物腦圖數據的分析對比展開研究。

在與腦科學相關的研究領域，例如神經形態計算領域，其發展對工程應用的推動是必然的。因為發展這一領域的研究不僅能掌握神經網路運作的基本原理，也能設計出更優化的演算法，低能高效的神經形態計算是未來發展的一大趨勢。但該領域目前在原理層面上並沒有準確的解釋，這需要領域內的科研工作者對小樣本學習，遷移學習，學習空間的性質等理論難點問題展開深入研究。

我國腦科學研究情況

我國腦科學研究簡介

中國科學家早在2013年就開始醞釀中國的「腦計劃」。2015年，中國科學家對腦科學與類腦研究的部署達成了「一體兩翼」的初步共識。2016年，我國將「腦科學與類腦研究」——中國腦計劃，作為重大科技項目列入國家「十三五」規劃，資助時間長達15年（2016～2030年）。

我國腦科學研究進展

2017年8月31日，中科院召開B類戰略性先導科技專項「腦功能聯結圖譜與類腦智能研究」結題總體驗收會，在非人靈長類動物模型研究，感覺、情緒和社會等級行為的神經機制研究，腦功能聯結圖譜研究及在類腦智能計算模型與演算法研究方面取得較大進展。

2017年11月27日，在中科院神經科學研究所、腦科學與智能技術卓越創新中心的非人靈長類平台世界上首個體細胞克隆猴「中中」誕生；12月5日第二個克隆猴「華華」誕生。這是製作腦科學研究和人類疾病動物模型的關鍵技術。腦疾病模型猴的製作將為腦疾病的機理研究、干預、診治帶來前所未有的光明前景。

長遠規劃助力腦科學研究持續進展

各國紛紛搶佔「大腦制高點」，腦科學發展機遇與挑戰並存

腦科學研究已進入了發展的關鍵時期，一方面是研究發展的態勢迅猛，另一方面是面臨強烈的社會需求。因此，近年來，美國、歐盟和日本相繼啟動了腦科學研究計劃。在中國，腦科學研究已被列為事關我國未來發展的重大科技項目之一。

但是目前腦科學領域還面臨著諸多難以克服的困難。首先，在介於微觀與宏觀的介觀層面，對於各種神經元的活動如何動態地組合、編碼、加工，最終完成其使命的過程，我們目前的了解還非常有限；其次，對於神經活動是如何產生感知、情緒、思維、抉擇、意識、語言等各種腦認知高級功能的理解更是淺薄；再次，科學界對三類重大腦疾病（幼年期自閉症和智障、中年期抑鬱症和成癮、老年期的退行性腦疾病）的病因仍不了解，治療的措施也十分缺乏。

著眼於腦科學重大問題，美歐日研究計劃穩步推進

針對上述問題，美歐日等國的腦計劃，在以上領域的研究中均有明確的計劃並取得了一些進展。

利用單細胞遺傳分析技術、光遺傳學等技術手段，對神經元的類別、結構、功能以及聯接的圖譜展開繪製，將有助於人們了解神經細胞的基本功能和運行機制。此前，美國腦計劃啟動的BICCN項目以及IBL國際腦實驗室倡導的「標準化」模型實驗，均是對此問題所開展的研究工作。而歐盟和日本在這一領域也有類似的研究或項目計劃正在進行。

針對大腦高級功能的研究，日本腦計劃所使用的靈長類動物狨猴，對於這項問題的研究會產生積極的影響。而歐盟腦計劃涉及到的人類大腦項目和大腦模擬平台則是直接將研究內容聚焦到人類大腦，通過模擬揭示人類大腦的深層次活動。而美國腦計劃在BICCN項目中也提及了非人靈長類動物腦細胞的普查研究，其下一步的研究也會向靈長類動物傾斜，最終為人腦研究打下基礎。

在醫學領域，日本通過轉基因技術至使狨猴患病，並研究整個患病過程，建立狨猴病變腦組織的模型，為人類腦病研究提供參考。歐盟則是將臨床醫療數據進行整合，分析整理後形成數據平台，在平台建設過程中繼續吸納臨床研究的成果，最終通過大量的臨床數據建立起病變腦組織模型，通過對模型的研究闡述腦疾病的患病機理及治療手段。美國方面則還是希望通過繪製完整的人類大腦譜圖，從根本上理解腦部活動的原理，進而為腦疾病的研究指明方向。但在臨床領域，美國已經著手開展了諸如深度腦刺激（DBS）等新療法的臨床應用，雖然療效尚不明確，但可以看出美國對於腦疾病的研究不僅局限於理論層面，其臨床應用的研究也非常活躍。

目前，我國腦科學計劃的研究方向基本上是確定的，但是對具體的研究內容和研究目標還需進一步明確。因此，推動具有中國特色、體現自身優勢、滿足國情需求的腦計劃，是我國腦科學未來的發展方向。

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