解讀大腦活動圖譜

張文韜/編譯

將思維停在此刻：通過BAM項目開發(fā)的新技術(shù)可以監(jiān)測巨大的神經(jīng)元集群，當神經(jīng)興奮時，可以將其電路的靜態(tài)圖片變成活動的

據(jù)《紐約時報》披露，奧巴馬政府擬在下一財年預(yù)算提案中推出一個大科學(xué)計劃項目——大腦活動圖譜（BAM）計劃，旨在拓展人們對人類大腦健康或病理狀態(tài)的認識。據(jù)悉，要完成這一據(jù)稱可與人類基因組計劃(HGP)比肩的項目需投入數(shù)十億美元。為此，《科學(xué)》雜志的“科學(xué)線人”欄目圍繞該項目的一些相關(guān)話題逐一進行了解答。

什么是大腦活動圖譜（BAM）

鑒于目前的進展和技術(shù)手段，神經(jīng)科學(xué)家只能粗略地測量大腦活動，包括正在使用的正電子發(fā)射斷層掃描（PET）技術(shù)和核磁共振成像（MRI）技術(shù)，也只能通過某些參數(shù)來監(jiān)測腦內(nèi)“被激活”的區(qū)域，或者測量單個或少量神經(jīng)元組的電活動。在大范圍觀測上，PET和MRI缺乏精細的細節(jié)，只能獲得“模糊”的圖像；而聚焦于小簇神經(jīng)元時，就像是近距離關(guān)注局部而忽略了整體。研究人員普遍認為，產(chǎn)生思維和知覺的大腦功能涉及幾千數(shù)百萬神經(jīng)元，目前他們還不具備監(jiān)測這種神經(jīng)元集群的手段。他們同時認為，若要獲得詳細的人類大腦活動圖譜，則需要開發(fā)新的成像工具，而且首先必須從動物模型入手。目前還不清楚BAM會繪制哪些狀態(tài)的圖譜。理論上，這些工具或模型有助于科學(xué)家了解諸如癲癇癥或精神分裂癥在大腦活動中的一些異常。這些病癥通常被懷疑起源于大腦不同區(qū)域之間的異常神經(jīng)連接。

哪些機構(gòu)參與了BAM提案

美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）很可能擔(dān)當BAM提案的組織者。美國國家科學(xué)基金會（NSF)、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室（OSTP）也在參與促進該提案的最終形成。其中，卡弗里基金會、艾倫腦科學(xué)研究所和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）已率先致力于BAM項目的推廣。今年1月，微軟、谷歌和高通公司就該項目的數(shù)據(jù)分析召開了一次研討會。

BAM提案產(chǎn)生的背景

2011年9月，由卡弗里基金會、艾倫基金會和蓋茨比基金會在英國共同主辦的一次研討會上，曾領(lǐng)導(dǎo)個人基因組計劃（PGP）的分子遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）和哥倫比亞大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家拉斐爾·尤斯特 （Rafael Yuste）在會上掀起了波瀾，他們提出，借助新技術(shù)開發(fā)，開展一項大規(guī)模、協(xié)調(diào)一致的用以跟蹤人類大腦功能連接活動的項目，直至對每個神經(jīng)元乃至軸突功能詳盡了解的條件已經(jīng)具備。盡管部分與會者對此表示質(zhì)疑，但該提案還是引起大家足夠的熱情，并在卡弗里基金會科學(xué)項目部副總裁全美永推動下產(chǎn)生了BAM白皮書。在同年12月召開的一系列會議上，正式向NIH、DARPA和OSTP提出了這一項目。

次年1月6日，在加州圣莫尼卡舉行的卡弗里基金會未來研討會上，BAM項目作為一項主要議題被推向了一個新的高度；緊接著在《神經(jīng)元》雜志發(fā)表了實施該項目目標的相關(guān)細節(jié)（主要集中在動物研究上）。7月，OSTP在征集科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有“巨大挑戰(zhàn)”或類似HGP項目時，全美永和其他《神經(jīng)元》論文合作者被要求簡化他們的提案，更側(cè)重對人體的應(yīng)用。

BAM真的是關(guān)于人腦研究的

早期的BAM項目描述（例如《神經(jīng)元》論文中提及的）主要是著眼于動物模型展開的。然而，在過去的幾個月里，經(jīng)過全美永及其同事與OSTP的溝通，提案則進一步明確了人體應(yīng)用的重要性。尤斯特說，在與OSTP、NIH的合作中，新版提案與病人護理有著更實際的聯(lián)系，真正促進了團隊朝著更富有“社會責(zé)任”的方向努力。

強調(diào)對人體的應(yīng)用，也可能會使人們對研究的實際范圍產(chǎn)生誤解。例如，《紐約時報》指出，科學(xué)家們打算十年內(nèi)構(gòu)建起人類大腦活動的“全面地圖”；而現(xiàn)實是，BAM項目前期重點將主要集中在動物模型上。HHMI執(zhí)行董事杰拉爾德·魯賓（Gerald Rubin）說：“《紐約時報》的文章沒能很好的表述官方計劃?！濒斮e在一封郵件中寫道：“特別是出于科學(xué)和倫理的原因，第一個十年的大部分經(jīng)費主要用于“模式生物”的實驗。

BAM預(yù)計多久可以完成

BAM項目的規(guī)劃文件比《紐約時報》暗示的要保守得多。科學(xué)家們預(yù)計，五年后他們的監(jiān)測能力將達到或相當于秀麗隱桿線蟲的整個大腦活動，其中有302個神經(jīng)細胞和大約7 000個神經(jīng)連接；十年后，期望完成相當于果蠅模型的全腦圖譜，約13萬個神經(jīng)細胞；十五年后，將能夠觀察到斑馬魚的腦功能或小鼠大腦皮層的幾個區(qū)域。

NIH和其他聯(lián)邦機構(gòu)還沒有公布提案的詳細信息。然而，從《神經(jīng)元》和“科學(xué)線人”獲得的最新版本來看，全美永及其同事計劃將BAM項目分為四個階段：第一，著眼于研制新的成像工具，利用光線穿透進入腦組織，以檢測或控制細胞的功能；第二，著力于研究下一代電子探針，便以同時監(jiān)控和處理大量的細胞；第三，創(chuàng)新納米技術(shù)，以記錄單個神經(jīng)元活動；最后，像HGP一樣，研究開發(fā)數(shù)據(jù)共享和分析系統(tǒng)。

BAM最終成本將是多少

據(jù)《紐約時報》稱，科學(xué)家們希望能獲得超過十年、每年3億美元的經(jīng)費資助，但沒有解釋這么做的原因。相比之下，HGP花費了38億美元（NIH官員說，在總統(tǒng)公布下一財年預(yù)算之前，他們無法對項目資金發(fā)表評論）。目前尚不清楚這些經(jīng)費中有多少是來自對現(xiàn)有神經(jīng)科學(xué)項目的重組。卡弗里基金會每年將資助400～500萬美元。HHMI和艾倫腦科學(xué)研究所正在做的相關(guān)研究將會是這一項目中的一部分。

BAM是否會引發(fā)爭議或通過

在紐約冷泉港實驗室的神經(jīng)學(xué)家帕爾塔·米特拉 （Partha Mitra）看來，BAM中提出的許多創(chuàng)新手段，諸如深層滲透腦組織的新型光基技術(shù)如同“科幻小說”。他認為，該項目并沒有廣泛征詢神經(jīng)科學(xué)界的意見，不利于BAM的實施。而最近得到資助的歐盟 “人腦計劃”（HBP），就經(jīng)過了更多的公開討論，盡管也引發(fā)不少人的批評。

尤斯特指出，在啟動HGP時，也曾遭遇過類似的情況。他強調(diào)，啟動BAM項目可能比想像中更為困難和復(fù)雜，但我們需要這樣一個大的挑戰(zhàn)來激勵新工具的研發(fā)和多領(lǐng)域科學(xué)家之間的合作。作為一個領(lǐng)域，神經(jīng)科學(xué)“已經(jīng)長大，舊衣服或以不合身了”。他希望，這一神經(jīng)科學(xué)項目將像其他大科學(xué)項目一樣，如HGP和國家納米技術(shù)計劃，給予自己領(lǐng)域的發(fā)展更多地關(guān)注。

發(fā)展神經(jīng)科學(xué)研究歷來是美國兩黨的共同興趣，但白宮是否已向國會提出擬建項目的討論目前尚不清楚。鑒于目前大多數(shù)科研機構(gòu)開始減少投入的背景下，如果政府削減開支再加上削減NIH預(yù)算的5.1%，很難確定NIH最終是否會把錢投入到一個新的大型項目中。