2013年1月，“人腦計(jì)劃”(HumanBrainProject)被歐盟選定為未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目之一。這一項(xiàng)目凝聚了神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域近300名專家，10年將耗資10億歐元。
經(jīng)過(guò)兩年多努力，最近歐盟人腦計(jì)劃成果頻出，雖然，此項(xiàng)工作僅僅對(duì)于很小的一個(gè)腦區(qū)進(jìn)行了仿真模擬，但從結(jié)果上看，會(huì)傾向于支持大腦是有可能被計(jì)算機(jī)仿真模擬的這一觀點(diǎn)。如果有更高效的計(jì)算方法和更強(qiáng)大的計(jì)算能力的支持，接近于真實(shí)大腦規(guī)模的仿真模擬并非幻想。
1、在大腦模擬上，歐盟腦計(jì)劃前主任Markram教授牽頭，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬出老鼠大腦皮質(zhì)柱；
2、瑞士研究人員成果繪制大腦數(shù)碼圖，展示4000萬(wàn)個(gè)神經(jīng)鍵；
3、牛津大學(xué)教授發(fā)現(xiàn)，積極正向的人大腦神經(jīng)更活躍。
下面介紹具體的研究情況，并附論文下載。
2015年10月8日，在頂級(jí)科學(xué)期刊上刊登了一篇長(zhǎng)達(dá)36頁(yè)的有關(guān)大腦仿真的里程碑式的論文，其標(biāo)題為“Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry”。這是曾轟動(dòng)一時(shí)的歐盟腦計(jì)劃在歷時(shí)將近3年后，在各種質(zhì)疑聲中的一個(gè)亮相。論文由歐盟腦計(jì)劃前主任Markram教授牽頭，由來(lái)自12個(gè)國(guó)家的80余位科學(xué)家共同完成。
論文的核心內(nèi)容是對(duì)大約0.3立方毫米的含有3.1萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和3700萬(wàn)個(gè)神經(jīng)突觸的鼠腦某一腦區(qū)的腦皮質(zhì)柱的仿真模擬，整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涉及到207種不同類型的神經(jīng)元和13種不同的離子通道，仿真模擬采用了HH模型在NEURON軟件平臺(tái)和超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。其特點(diǎn)是，計(jì)算模型是對(duì)生物腦的完全仿真，采用實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，而不再需要調(diào)整任何參數(shù)；其結(jié)果在很大程度上表明，大腦皮質(zhì)柱是可以被仿真模擬的。比較遺憾的是，這項(xiàng)報(bào)告中沒(méi)有涉及大腦皮層的可塑性這一重要功能性特征。
a simulated brain slice from the Blue Brain Project-neurons are coloured according to their levels of electrical activity
參考消息網(wǎng)10月11日?qǐng)?bào)道 法新社10月8日?qǐng)?bào)道稱，瑞士研究人員牽頭實(shí)施了一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目，旨在繪制大腦數(shù)碼圖。該項(xiàng)目周四公布了首批成果，展示了錯(cuò)綜復(fù)雜的大腦線路。
據(jù)美國(guó)《細(xì)胞》雜志公布的這份研究報(bào)告稱，這份用計(jì)算機(jī)再現(xiàn)幼鼠新大腦皮層的所謂“初稿”包含了31000多個(gè)神經(jīng)元、55個(gè)細(xì)胞層和207種不同的亞型神經(jīng)元。
該項(xiàng)目是一項(xiàng)有12個(gè)國(guó)家的82名科研人員參與的全球倡議的一部分，該倡議名為“藍(lán)腦計(jì)劃”，主導(dǎo)者為洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)。
新大腦皮層的數(shù)碼切片清楚展現(xiàn)了大腦的近4000萬(wàn)個(gè)神經(jīng)鍵以及各型大腦細(xì)胞之間的2000個(gè)連接結(jié)構(gòu)。
通過(guò)這一項(xiàng)目，研究人員利用細(xì)胞自身放電節(jié)律確定了很多種細(xì)胞類型。
研究人員利用數(shù)學(xué)模型模擬了細(xì)胞的活動(dòng)方式，研究目標(biāo)是用數(shù)字方式模擬大腦線路系統(tǒng)的運(yùn)行方式。
研究人員發(fā)現(xiàn)，改變鈣離子——鈣離子對(duì)神經(jīng)傳遞具有一定作用——的含量是給大腦活動(dòng)帶來(lái)變化的關(guān)鍵。
“藍(lán)腦計(jì)劃”負(fù)責(zé)人亨利·馬克拉姆說(shuō)：“這就像一臺(tái)可重新組合去重點(diǎn)完成特定任務(wù)的計(jì)算機(jī)處理器?！?/p>
馬克拉姆也坦言，科學(xué)家們要更準(zhǔn)確地理解大腦的運(yùn)行方式，今后還有很多工作要做。
人格是心理學(xué)研究范疇，按照心理學(xué)的研究，人格有許多類型，但非常明顯的差別是有的人積極正向，有的人消極負(fù)向。人格特征理論上存在大腦的解剖學(xué)基礎(chǔ)，但過(guò)去并沒(méi)有非常確定的證據(jù)，來(lái)自歐洲大腦研究計(jì)劃的第一項(xiàng)公開發(fā)表的論文發(fā)現(xiàn)，大腦神經(jīng)通路模式與個(gè)人性格特征存在相關(guān)性，這一研究論文2015年9月28日發(fā)表在《自然神經(jīng)科學(xué)》上。
2010年開始的大腦研究計(jì)劃投入40億美元，通過(guò)掃描1200個(gè)成年人大腦神經(jīng)聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，目的是標(biāo)記人的大腦活動(dòng)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)圖譜。過(guò)去科學(xué)家認(rèn)為，為完成某些任務(wù)，大腦的活動(dòng)方式存在不同模式。
2015年4月，牛津生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授Stephen Smith領(lǐng)導(dǎo)的大腦研究計(jì)劃項(xiàng)目，發(fā)表了對(duì)年齡22-35歲的460人靜息狀態(tài)大腦神經(jīng)通路研究結(jié)果。每個(gè)大腦數(shù)據(jù)包含280種其他相關(guān)數(shù)據(jù)，例如年齡、服藥史、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況、人格特征和智力檢測(cè)結(jié)果等。
史密斯教授等通過(guò)對(duì)這些大腦掃描數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)對(duì)比分析，尋找這些數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，結(jié)果驚奇地發(fā)現(xiàn)一個(gè)特別不同的神經(jīng)聯(lián)系差異。哪些人格更積極的人，這些人往往在教育、體力和記憶力方面超過(guò)普通人，存在類似的神經(jīng)聯(lián)系模式。這些積極的人大腦不同區(qū)域之間的聯(lián)系更緊密。哪些消極的人，往往抽煙、性格暴躁、家庭有成員曾經(jīng)酗酒等，大腦神經(jīng)聯(lián)系明顯比較差。
華盛頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Marcus Raichle對(duì)只通過(guò)大腦解剖學(xué)特點(diǎn)區(qū)分人的成功與否印象深刻。成功的人確實(shí)存在明顯的個(gè)性特征。但是Raichle說(shuō)，這種聯(lián)系存在的必然性仍然需要進(jìn)一步確認(rèn)，對(duì)具體個(gè)人，更難以用神經(jīng)聯(lián)系來(lái)預(yù)測(cè)是否成功。
本論文共同作者華盛頓大學(xué)心理學(xué)家Deanna Barch說(shuō)，一旦這種聯(lián)系的內(nèi)在機(jī)制被弄清楚，科學(xué)家有可能找到優(yōu)化大腦聯(lián)系的方法。
麻省總醫(yī)院神經(jīng)科學(xué)家Van Wedeen說(shuō)這個(gè)發(fā)現(xiàn)給將來(lái)的研究指明了方向，例如一個(gè)消極的人最近幾周曾經(jīng)吸大麻。Wedeen說(shuō)這一發(fā)現(xiàn)也佐證了美國(guó)藥物依賴研究所上周啟動(dòng)的研究項(xiàng)目，該研究將連續(xù)10年隨訪1萬(wàn)名青少年，以確定吸大麻對(duì)大腦的影響。
Wedeen對(duì)研究中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象很有興趣，該研究發(fā)現(xiàn)，人的普通智力intelligence和神經(jīng)聯(lián)系不十分密切，但是認(rèn)知cognition能力和神經(jīng)聯(lián)系更密切。例如手眼協(xié)調(diào)能力很好的人，與神經(jīng)聯(lián)系的相關(guān)性不如語(yǔ)言記憶力好的人強(qiáng)。這說(shuō)明科學(xué)家對(duì)人的智力生物學(xué)基礎(chǔ)的理解仍然比較膚淺，人的智力可能受到人因和行為因素的影響比想象的大。該研究可能會(huì)讓我們對(duì)智力測(cè)驗(yàn)有一個(gè)重新認(rèn)識(shí)。
相關(guān)研究可能會(huì)不斷發(fā)表，哈佛大學(xué)老年研究項(xiàng)目對(duì)284名年齡在65-90歲的老年人大腦神經(jīng)聯(lián)系進(jìn)行了研究，年初發(fā)表了研究數(shù)據(jù)。Smith教授正在英國(guó)開展人類發(fā)育大腦神經(jīng)聯(lián)系項(xiàng)目，該研究對(duì)1200名新生兒大腦進(jìn)行掃描。他希望下個(gè)月就發(fā)表該研究數(shù)據(jù)。人類大腦研究計(jì)劃正在對(duì)受試者的基因數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這些受試者中包含許多同卵和異卵雙胞胎，這對(duì)于區(qū)分影響大腦神經(jīng)聯(lián)系模式的遺傳因素和環(huán)境因素非常關(guān)鍵。
1、相關(guān)計(jì)劃
歐盟“人腦計(jì)劃”的前身是“藍(lán)腦計(jì)劃”。是由在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院工作的神經(jīng)科學(xué)家馬克拉姆(HenryMarkram)，在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院和IBM公司的共同支持下，從2005年啟動(dòng)的一項(xiàng)在超級(jí)計(jì)算機(jī)“藍(lán)基因”(BlueGene)上以實(shí)現(xiàn)虛擬腦為目標(biāo)的科學(xué)計(jì)劃。
2013年1月“人腦計(jì)劃”(HumanBrainProject)被歐盟選定為未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目之一。這一項(xiàng)目凝聚了神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域近300名專家，10年將耗資10億歐元，力圖集成多方力量，為基于信息通訊技術(shù)的新型腦研究模式奠定技術(shù)基礎(chǔ)，并極大地加速腦科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化，進(jìn)而切實(shí)提高歐洲的衛(wèi)生服務(wù)，改善歐洲的公民健康狀況，提升歐洲的產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)地位。
2、主要路徑
隨著腦成像技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在已有可能以更高的時(shí)空分辨率，建立動(dòng)物全腦的圖像；連接組(conneotome)技術(shù)利用各種成像技術(shù)及電生理技術(shù)在宏觀、介觀及微觀尺度上建立動(dòng)物腦和人腦內(nèi)腦區(qū)、神經(jīng)元群或神經(jīng)元之間的連接圖；在分子層次上有所不同的各種神經(jīng)元類型正被一一確認(rèn)；對(duì)腦疾患的認(rèn)識(shí)正在加深，并利用成像和基因數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行診斷。在信息和計(jì)算技術(shù)方面，通過(guò)應(yīng)用云計(jì)算和分布數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，再加上互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代密碼學(xué)，便有可能分析來(lái)自世界各處的科學(xué)研究與臨床數(shù)據(jù)；通過(guò)各種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和高性能計(jì)算，便有可能對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在多個(gè)尺度上仿真腦模型，找出缺失之處，并設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)以填補(bǔ)空白。通過(guò)仿神經(jīng)計(jì)算技術(shù)則有可能造出更密集、能耗更低的計(jì)算裝置，并促進(jìn)神經(jīng)機(jī)器人的研究。
3、重點(diǎn)領(lǐng)域
歐盟“人腦計(jì)劃”的重點(diǎn)領(lǐng)域主要有三方面：第一，人腦計(jì)劃的核心是信息和計(jì)算技術(shù)。這一計(jì)劃將研發(fā)神經(jīng)信息學(xué)、腦仿真和超級(jí)計(jì)算的ICT平臺(tái)。第二，全新的醫(yī)學(xué)信息學(xué)平臺(tái)將把全世界的臨床數(shù)據(jù)都匯集起來(lái)，使醫(yī)學(xué)研究人員得以提取有價(jià)值的臨床信息，并結(jié)合進(jìn)有關(guān)疾病的計(jì)算機(jī)模型中。第三，仿神經(jīng)計(jì)算平臺(tái)和神經(jīng)機(jī)器人學(xué)(neurorobotics)平臺(tái)根據(jù)腦的構(gòu)筑和回路研發(fā)新型的計(jì)算系統(tǒng)和機(jī)器人。除了上述三大方面之外，人腦計(jì)劃還有一個(gè)“倫理和社會(huì)子項(xiàng)目”，研究實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目所可能帶來(lái)的倫理和社會(huì)后果。
4、情景目標(biāo)
歐盟“人腦計(jì)劃”的總目標(biāo)是建立為未來(lái)神經(jīng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)和計(jì)算所需的全新信息和計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)，由此促進(jìn)全球的合作研究，總結(jié)現(xiàn)有關(guān)于人腦的一切知識(shí)，并通過(guò)在超級(jí)計(jì)算機(jī)上建模和仿真重建人腦，直到其各個(gè)細(xì)節(jié)。該計(jì)劃聲稱，將獲得對(duì)人腦及其疾患的全新認(rèn)識(shí)，并且開發(fā)全新的計(jì)算技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)。
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