作者:刘霞 来源:科技日报 发布时间:2023/9/5 12:13:12
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十年漫漫探寻路,欧盟“人脑计划”的美丽与哀愁

 

HBP已经详细描述了人脑的解剖结构,并开发了将大脑结构和功能与基因表达联系起来的工具。图片来源:马琳·费钦格/《自然》

◎本报记者 刘 霞

人脑是宇宙中已知最复杂、最神秘的结构之一,脑科学以阐明脑和神经系统的工作原理和机制为目标,被认为是自然科学的“最后疆域”。鉴于此,世界上不少国家和组织启动了规模宏大的脑科学研究计划,欧盟的“人脑计划”(HBP)就是其中之一。HBP是欧盟资助的最大研究项目之一,旨在通过在计算机中模拟人脑来理解人脑。整个项目从2013年正式启动,历时10年、耗资6亿欧元,即将于今年9月宣告结束。

英国《自然》杂志网站在近日的报道中指出,10年间,参与HBP的科学家发表了数千篇论文,取得了许多突破性进展。但HBP计划也因“碎片化”结果而招致相当多批评,不少科学家认为,该项目没有实现其初衷——模拟完整的人脑。

硕果累累

尽管HBP一出世就备受争议,且命运多舛,但这棵科学“大树”的确结出了累累硕果。

例如,通过创建和组合约200个大脑皮层和更深层次大脑结构的3D地图,参与HBP的科学家制作出了人脑图谱,描绘了从细胞和分子结构到功能模块和连接等大脑的多层次组织。HBP科学研究主任、德国于利希研究中心神经科学家卡特琳·阿蒙茨表示,“这个图谱有点像人脑的谷歌地图”。

HBP科学家利用该图谱确定了前额叶皮层中6个以前未知的大脑区域,这些区域有助于处理记忆、语言、注意力和音乐。他们还将该图谱与艾伦脑研所开发的人脑图谱中的基因表达数据相互关联,揭示了与抑郁症相关的基因表达变化与额叶皮层区域的结构和功能变化之间的联系。

HBP科学家还开发了独特的算法,可根据显微图像建立大脑区域的全尺寸支架模型,并在此基础上绘制出了对记忆很重要的海马CA1区域的详细图谱,其包含约500万个神经元和400亿个突触。

此外,HBP还使用个性化的大脑模型——“数字双孪生”改善了癫痫和帕金森病的治疗。法国马赛大学神经科学家、HBP董事会成员维克托·吉萨于2019年6月启动了一项临床试验,以测试使用大脑扫描数据建立的数字模型是否有助于识别癫痫发作的起源,并提高癫痫手术的成功率。

HBP项目的初衷是开发以大脑为模型的计算系统。HBP科学家也为神经网络作出了贡献,开发出了能够应用在神经形态计算机上的全新学习算法。该网络可模拟大型类脑系统,例如测试大脑如何工作,或者控制机器人及智能手机等硬件。

支离破碎

尽管如此,HBP仍然招致不少批评。

瑞士联邦理工学院创始人兼前院长、神经科学家恒瑞·马克西姆表示,HBP将于10年内在细胞水平上重建和模拟人脑,但这一断言引发了神经科学家的广泛怀疑。欧盟委员会副总干事托马斯·斯科达斯表示,当该项目开始时,几乎没有人相信大数据的潜力,以及使用超级计算机来模拟大脑复杂功能的可能性。

针对HBP项目,很多科学家纷纷提到了“碎片化”这个词——这也是神经科学研究领域长期存在的一个问题。法国国家科学研究中心主任、HBP成员伊夫·弗雷尼亚克指出,HBP中途几次改弦易辙,导致其科学成果变得“支离破碎”。对他来说,该项目未能提供对大脑的全面理解,没有实现模拟整个人脑的目标,“我看不到整个大脑,我看到的只是大脑的一部分”。

巴黎综合神经科学与认知中心神经科学家戴维·汗希尔表示,该项目缺乏优先次序,此外科学家之间的合作也很有限,这使其未能真正将神经科学界团结在一起,实现共同的目标,“它没有列出最重要和合理的问题,因此,也没有实现真正的目标——了解人脑。”

对此,HBP负责人希望通过名为EBRAINS的虚拟平台来克服跨学科子项目的分散性,以及进一步加深对人脑的理解。EBRAINS是一套工具和成像数据,世界各地的科学家可使用这些工具和数据进行模拟和数字实验。

任重道远

9月底,HBP将停止发放资金,但HBP的终结并非欧洲神经科学研究的终结。欧盟委员会和成员国正在谋划欧洲大脑健康研究的下一阶段,重点是使用个性化的大脑模型来推进药物发现和改善大脑疾病的治疗。

阿蒙茨等人也希望HBP的工作和EBAINS平台将成为未来几年欧洲神经科学的基础,她表示,科学家需要从更多层次和更多尺度上解析大脑。

研究人员指出,未来的项目需要避免重蹈HBP的覆辙。英国剑桥大学的计算神经科学家蒂莫西·奥莱利指出,欧盟需要支持小规模、重点突出的科学,以及雄心勃勃的综合项目。不过,他也表示,HBP这个大型项目确实创建了一些专注于共同目标的科学家社群,“这是持久的遗产”。

 
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