歐洲腦計劃十年無果，理解人腦到底有多難？

朱秋雨

一個燒掉歐洲47億元人民幣、耗時10年的人類腦計劃（HBP），于2023年9月正式終結(jié)。結(jié)果是，這個大科學(xué)計劃遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有預(yù)期的順利。

這個野心勃勃的人腦計劃，緣起于瑞士科學(xué)家亨利·馬克拉姆（Herry Markram）。早在2005年，他便提出自己的構(gòu)想：人類即將可以完全理解我們的大腦，并且，最終可以通過計算機(jī)仿真全腦。

“人的認(rèn)知、記憶和精神疾病，都是人腦神經(jīng)元和電信號的表現(xiàn)，”亨利在2009年的TED演講上說，“我們將使用超級計算機(jī)模擬人腦的100億突觸。這樣一來，針對精神疾病，人類就有了具體的解決辦法?！?/p>

亨利的構(gòu)想影響了一批歐洲科學(xué)家。他們相信，“虛擬人腦”將成為可能。

現(xiàn)實是，動用了超500名頂尖科學(xué)家的HBP計劃，十年間只得到了些許進(jìn)展。

比如，HBP的科學(xué)家們在大腦前額葉皮層發(fā)現(xiàn)了六個此前人們從未知曉的區(qū)域。這些區(qū)域能幫人們使用語言、集中注意力、儲藏記憶和處理音樂。

比如，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人腦額外皮層一個區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能，能影響抑郁癥的基因表達(dá)。

只是，這些發(fā)現(xiàn)都與“人類腦計劃”的目標(biāo)差距甚大。8月22日，《自然》發(fā)表文章，全面回溯了HBP十年的得與失，指出這些年圍繞HBP的所有爭議，都源自同一個問題：太支離破碎。“（科學(xué)家）有很多精妙的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，卻缺乏多尺度的整合，也沒解決大問題?！?/p>

“系統(tǒng)性理解動物之中最高效和最智能的人腦”這個艱巨任務(wù)，最終還是打敗了歐洲最聰明的一群人。

問題出在哪？已經(jīng)在地球生活百萬年的人類，為什么始終還原不了自己的大腦？

爭議起點

長達(dá)十年的歐洲人腦計劃，在今年9月結(jié)束。

2023年3月，歐盟委員會拒絕了為HBP撥款3800萬歐元（約合人民幣2.9億元）的要求。但在6月，歐盟委員會宣布再度考慮撥款計劃，具體結(jié)果要等2024年公布。這意味著，HBP努力了10年建立的EBRAINS—一個集成多國腦科學(xué)數(shù)據(jù)和工具的在線平臺，很可能面臨無法延續(xù)的窘境。

HBP如今的結(jié)局，與10年前的鋒芒差別甚大。2009年，由于擔(dān)心計算機(jī)、數(shù)字服務(wù)等技術(shù)落后于美國，歐盟委員會決定出資設(shè)立“未來新興技術(shù)旗艦項目”。每個入選項目可獲得共計10億歐元（約合人民幣79億元）的資助。

2013年，由歐盟牽頭、26個國家共計135個合作機(jī)構(gòu)參與的“人類腦計劃”，正式啟動。領(lǐng)頭者便是亨利·馬克拉姆，一個在歐洲腦科學(xué)領(lǐng)域正嶄露頭角的人物。

同樣在2009年，馬克拉姆對外宣布，團(tuán)隊成功在IBM的超級計算機(jī)上構(gòu)建了一個出生2周大鼠的新皮層柱模型。

這其中包括1萬個簡化的鼠腦神經(jīng)元模型，考慮了幾百種神經(jīng)元的分布與密度，甚至，涵括了每個神經(jīng)元跟好幾千個神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系的情況。這在當(dāng)時的腦科學(xué)界屬于一大突破。

馬克拉姆在2009年的TED演講中透露，還原鼠腦是一個計算量巨大的工作。“一個筆記本電腦，只能完成1個神經(jīng)元的計算工作?！彼?，還原1萬個鼠腦神經(jīng)元工作，需要1萬臺電腦合力。

這位在當(dāng)時48歲正當(dāng)壯年的科學(xué)家，因為模擬出鼠腦自信滿滿，野心勃勃。那時記者問他，“什么時候您才能仿真人腦，而不只是某個部分的鼠腦”時，他回答：“這只是一個尺度的問題，也是一個精度的問題……從技術(shù)層面上講，利用計算機(jī)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，有可能在10年內(nèi)建立起人腦模型。唯一的問題，便是經(jīng)費?！?/p>

話音一落，令眾人咋舌。要知道，光是鼠腦全腦，就有數(shù)千萬個神經(jīng)元，猴腦有數(shù)十億個，人腦更是有大約860億個神經(jīng)元。況且，除了當(dāng)時計算能力有限以外，模擬人腦對當(dāng)前技術(shù)、倫理都是極大挑戰(zhàn)。

在2013年的歐洲，27名科學(xué)家組成的評估組中，25人都不看好馬克拉姆的計劃。

而馬克拉姆，就這么用雄心與氣勢，令歐盟愿意掏出腰包，支持十年的人類腦計劃。

許多學(xué)者都站出來質(zhì)疑。復(fù)旦大學(xué)知名教授顧凡及在當(dāng)時發(fā)文，稱不大可能在十年內(nèi)創(chuàng)建一個人工全腦。他后來又在著作《腦海探險，人類如何認(rèn)識自己》中，再度對馬克拉姆的計劃表示懷疑。

彼時，在2013年的歐洲，27名科學(xué)家組成的評估組中，25人都不看好馬克拉姆的計劃。

面對漫天的異見，馬克拉姆一如既往的堅定：“當(dāng)科學(xué)規(guī)劃出一條新道路時，爭議自然會隨之而來?！?h3>“想想這事有多難”

現(xiàn)在，是時候聽聽異議者的理由了。

知名記者、普利策獲獎?wù)逧d Yong在2019年再度掀起腦科學(xué)界的討論。他撰文指出，離馬克拉姆2009年演講所說的10年之約已至。現(xiàn)在回看HBP的成果，毫無疑問，“他失敗了”。

Ed Yong評價，失敗的原因有很多。比如，“我們對腦的認(rèn)識還很膚淺，未知之處多于已有的認(rèn)識”。而在沒有全面認(rèn)知大腦的情況下，馬克拉姆“犯了循環(huán)邏輯的錯誤—試圖用仿真腦的方法來認(rèn)識腦”。

顧凡及也發(fā)文分析，馬克拉姆仿真全腦計劃，最大的致命傷在于，腦科學(xué)尚未像其他學(xué)科一樣，有一套完整的理論框架。

而反觀歷史上成功的大科學(xué)計劃，例如阿波羅登月、制造原子彈的曼哈頓計劃，“這些計劃的后面都有堅實的理論基礎(chǔ)”。

野心勃勃的腦計劃，對應(yīng)的是現(xiàn)實中有登天難度的腦科學(xué)研究。

暨南大學(xué)粵港澳中樞神經(jīng)再生研究院博士生趙立偉向南風(fēng)窗介紹，實際研究中，由于人腦本身的復(fù)雜性，以及腦不同于其他器官的特殊性，腦科學(xué)在技術(shù)、研究方法等方面至今仍困難重重。

舉個例子，在認(rèn)識其他人體器官時，它們可以被視為一個整體，各部分功能相差無異。研究者只需取出一小塊作為樣本，便能得知全貌。但在人腦皮層的不同區(qū)域，結(jié)構(gòu)和功能十分多樣。解鎖了一塊區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能，也無法了解人腦的全貌。

“人腦系統(tǒng)非常復(fù)雜，至今仍然沒有一個系統(tǒng)的理論解釋大腦處理信息的作用機(jī)制。”趙立偉說。

不僅理論缺失，趙立偉告訴南風(fēng)窗，腦科學(xué)研究面臨非常多的具體難題。比如，人腦在人死亡后會迅速液化，失去外形和結(jié)構(gòu)。因此，需要快速處理和保存?！按竽X跟其他的組織都不一樣，相對來講處理標(biāo)本的程序更多，很麻煩。”

同時，對腦進(jìn)行實驗，研究者還需要格外謹(jǐn)慎地遵循倫理法則。他介紹，當(dāng)下出于倫理的考量，許多腦科學(xué)研究者會優(yōu)先使用鼠腦進(jìn)行實驗?！笆褂眯∈髮嶒?，一來它們基因接近于人，飼養(yǎng)方便，價格便宜，還不需要面臨那么多的倫理問題。”

他介紹，多數(shù)腦科學(xué)動物活體實驗中，一般使用鼠、兔子等嚙齒動物，或者猴子一類的靈長類動物，來取代寶貴的人腦。

但硬幣的背面，趙立偉說，研究人員也不確定在動物身上的大量實驗，最終能否被應(yīng)用到人腦上。

“這些成果在用于解決人類大腦疾病時，能提供多大價值，往往都是未知的?！?/p>

除了研究理論、手段的局限，另一個認(rèn)識人腦的難度在于，這是一個永遠(yuǎn)變化的、動態(tài)的系統(tǒng)。

北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院研究員、博士生導(dǎo)師王征表示，如果將腦科學(xué)比作森林，認(rèn)識大腦的各個部位就好比了解森林里形態(tài)各異的樹。

但是，即使透徹地知曉了樹的種類和作用，這時森林里如果吹了一陣風(fēng)，“樹被吹得七倒八歪時，這個森林的形態(tài)會變成什么樣子，我們還在研究中……實際情況真的太復(fù)雜”。

美國加州行為研究與技術(shù)研究所高級研究員羅伯特·愛潑斯坦也曾撰文解釋，系統(tǒng)性地理解人腦的難點在于，“每個人都是獨特的”。“這令人沮喪，使得神經(jīng)學(xué)家的任務(wù)變得超乎想象地困難。”

系統(tǒng)性地理解人腦的難點在于，“每個人都是獨特的”。

人腦與變化著的個體經(jīng)歷和外部世界緊密相關(guān)，愛潑斯坦解釋：“光是理解大腦如何產(chǎn)生智慧，不僅需要知道860億個神經(jīng)元和它們的100萬億個聯(lián)結(jié)的即時狀態(tài)、聯(lián)結(jié)的不同強度、存在于每個聯(lián)結(jié)點上超過1000個蛋白質(zhì)各自的狀態(tài)，還要知道大腦的即時活動如何影響人腦的系統(tǒng)性功能?！?/p>

“再加上每個人生命經(jīng)驗的獨特性，一定程度上造成每個大腦的獨特性，”愛潑斯坦說，“想想這事有多難吧?！?/p>

只是，上述種種限制，馬克拉姆一開始并非沒考慮到。2012年，他在《科學(xué)美國人》發(fā)表了一篇題為《人腦計劃》的文章，全面闡述了他的設(shè)想。

他理解當(dāng)前腦科學(xué)的局限。

他寫道：“（神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域）每年都會發(fā)表6萬篇腦研究論文，每篇都很出色，但都局限于一隅?！?/p>

“如果按照常規(guī)辦法，在各種條件下對各物種逐個測量，腦里面的每個基因、蛋白質(zhì)、細(xì)胞、突觸與回路，那么即使再過一個世紀(jì)或更長，也還是解決不了系統(tǒng)性的問題?！?/p>

所以，他的辦法就是，提出腦計劃，想把全世界現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)整合在一起；接著利用超級計算機(jī)，建立統(tǒng)一的計算機(jī)模型，對人腦進(jìn)行仿真。

仿真腦，從而全面認(rèn)識腦。

他甚至相信，利用計算機(jī)技術(shù)，人類在10年內(nèi)可以看到一個光彩奪目的人腦。我們可以模擬大腦的組成神經(jīng)元、沿神經(jīng)元流動的電活動，還能通過計算機(jī)模型看到基因的開啟和關(guān)閉……

依然重要的大問題

現(xiàn)實最終站在了多數(shù)人的這邊。

馬克拉姆最終被證實是天真、狂妄又激進(jìn)的。

2014年，為了盡快完成目標(biāo)，馬克拉姆帶領(lǐng)的HBP執(zhí)行委員會砍掉了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的大量研究，導(dǎo)致18個實驗室退出了項目。隨后，他被160名科學(xué)家集體寫信抗議。

2015年2月，馬克拉姆領(lǐng)導(dǎo)的執(zhí)行委員會在集體投票下解散。

HBP換了一波帶頭人。

新任委員會對腦計劃提出了新設(shè)想：HBP今后要創(chuàng)建名為EBRAINS的信息平臺，整合科學(xué)家收集的神經(jīng)元的數(shù)據(jù)，大腦解剖、連接和功能等信息，從而推動人類系統(tǒng)地理解人腦。

重新修訂的腦計劃，相比此前，收斂住了野心。在2020—2023年，HBP的最后一個階段，研究人員推出了人腦圖譜，詳細(xì)描繪了大腦從細(xì)胞和分子結(jié)構(gòu)，到功能模塊和連接的多層次組織。

這是一個簡化版的大腦。用HBP科學(xué)家的說法，這是“大腦版的離線谷歌地圖”。

只是，這樣的進(jìn)展，究竟是否值得耗時10年完成，又是科學(xué)界的一個分歧。《自然》雜志評價，HBP的科學(xué)成果支離破碎。德國哥廷根大學(xué)的理論神經(jīng)物理學(xué)家弗雷德·沃爾夫評價說：“一個持續(xù)十多年的項目，我希望它能在概念上有所突破，但HBP并非如此。”

巴黎綜合神經(jīng)科學(xué)與認(rèn)知中心神經(jīng)科學(xué)家戴維·漢塞爾認(rèn)為，HBP缺乏優(yōu)先次序，合作有限，這意味著它未能充分利用其規(guī)模，也未能真正將神經(jīng)科學(xué)界團(tuán)結(jié)起來。

“一個大科學(xué)項目，卻沒有列出首要的問題，只是籠統(tǒng)地提出想了解人腦?！睗h塞爾批評。

美國國立衛(wèi)生研究院的主任約翰·恩蓋提出了相反的觀點。他說，在腦科學(xué)未成熟發(fā)展的階段，歐洲的人腦計劃強調(diào)數(shù)據(jù)收集，而非假設(shè)驅(qū)動，也站得住腳。

來自現(xiàn)實的需要—無論是人工智能高速發(fā)展，還是老齡化社會下腦疾病的高發(fā)，都在催促科學(xué)家盡快了解人腦。

“大科學(xué)計劃并不總是關(guān)于登月的，尤其是在實現(xiàn)目標(biāo)的步驟還不確定時?！倍魃w認(rèn)為。

分歧的背后，拷問的是人類對了解自身大腦的野心與具體路徑。只是在現(xiàn)階段，各國研究者都感受到了緊迫。

來自現(xiàn)實的需要—無論是人工智能高速發(fā)展，還是老齡化社會下腦疾病的高發(fā)，都在催促科學(xué)家盡快了解人腦。

事實上，近年來世界各國，都在加大對腦計劃的投入。美國2013年啟動了“創(chuàng)新性神經(jīng)技術(shù)大腦研究”計劃，旨在通過開發(fā)新技術(shù)，生成大腦的動態(tài)圖片。2014年，日本啟動了十年計劃，意圖通過繪制狨猴的神經(jīng)環(huán)路，理解復(fù)雜的人類大腦。

2021年，中國腦計劃正式開啟。項目帶頭人、中科院神經(jīng)科學(xué)研究所所長蒲慕明對媒體介紹，對比其他國家，中國腦計劃的特點是，把腦疾病和腦啟發(fā)的人工智能放在特別優(yōu)先的位置，“而不是作為在我們更加完整地理解腦之后的長期目標(biāo)”。

蒲慕明介紹，腦活動是高度動態(tài)化的，因此繪制活體腦中的實時神經(jīng)活動并理解其含義，是極度困難的?，F(xiàn)在這件事只在有著透明腦的小型動物，如線蟲和斑馬魚幼體中才行得通?！拔也淮_定我們能否在可預(yù)見的未來中做到這一點。”

王征也介紹，人腦的運作機(jī)制始終像“黑匣子”。而當(dāng)下針對許多腦疾病的診療手段，便是在人腦是“黑匣子”的狀況下，摸索進(jìn)行。

南風(fēng)窗記者問他，倘若如此，“了解大腦系統(tǒng)性的規(guī)律，對腦科學(xué)領(lǐng)域還重要嗎？”

“當(dāng)然重要?！蓖跽骰卮穑昂谙蛔又忻鞒鰜淼闹委煼椒?，最大的問題是不能泛化。這些手段推廣到不同的個體或疾病場景，還存在困難?！?/p>

上述研究者都堅信，隨著科學(xué)的發(fā)展，腦科學(xué)的終極目的，仍是系統(tǒng)性地理解人腦。人類也會等到克服人腦之謎的一天。

當(dāng)下還像復(fù)旦教授顧凡及形容的：“我們現(xiàn)在只是站在腦科學(xué)新大陸的海岸邊，極目眺望著這片廣袤無際的處女地。不過無論如何，我們總算已經(jīng)遠(yuǎn)渡重洋來到了這里。這是腦和心智之謎無窮的魅力所在。”

（應(yīng)受訪者要求，文中趙立偉為化名）