人類腦計劃

人類腦計劃　　包括神經科學和信息科學這當今自然科學兩大熱點的相互結合研究，其目標是利用現代化信息工具，將大量、不同層次的有關腦的研究數據分析、處理、整合與建模，建立神經信息學資料庫和有關神經系統所有數據的全球知識管理系統，以便從分子水平到整體系統水平研究、認識、保護、開發大腦。美國在這方面處於領先地位。 計劃緣起　　曼哈頓計劃、阿波羅登月計劃和人類基因組計劃是劃時代的三大科學工程，它們給整個人類社會帶來了深遠的影響。人類基因組計劃是生物實驗結果和信息學的完美結合，人類基因庫將為人類健康、疾病診斷、藥物開發、生態平衡和生物學研究作出不可估量的貢獻。許多科學家認為，在人類基因組計劃之後應該是人類蛋白質組計劃和人類腦計劃。　　人類腦計劃包括神經科學和信息學相互結合的研究，其核心內容是神經信息學。腦科學和信息學是當今國際科學研究的兩大熱點，神經信息學是這兩大學科相結合的新興的邊緣學科。其目標是利用現代化信息工具，使神經科學家和信息學家能夠將腦的結構和功能研究結果聯繫起來，建立神經信息學資料庫和有關神經系統所有數據的全球知識管理系統，將不同層次有關腦的研究數據進行檢索、比較、分析、整合、建模和模擬，繪製出腦功能、結構和神經網路圖譜，從而解決目前神經科學所面臨的海量數據問題，從基因到行為各個水平加深人類對大腦的理解，達到「認識腦、保護腦和創造腦」的目標。　　人腦的複雜性遠遠超出了我們目前的認識能力，傳統的細胞生物學等的實驗室研究對於解決人腦對複雜信息的獲取、處理與加工及高級認知功能的機制，猶如只見樹木不見森林。神經信息學工具和資料庫的應用，使得我們可能從有限的實驗數據中找出神經信息獲取、處理和整合的規律和法則，提出在各種刺激條件下，腦內信息加工的數學模型的實驗假設和用計算機模擬腦內神經信息網路。可以說，人類腦計劃近20年的發展歷程處處與神經信息學緊密相連。　　1997年人類腦計劃在美國正式啟動，美國20多家著名的大學和研究所參加了這個研究計劃。50多位神經信息學的課題負責人得到該項目的基金資助。他們充分利用神經科學和信息科學的優勢條件進行研究，相互間建立合作關係，利用電子網路互通信息，運用資料庫進行資源共享。　　1996年在巴黎的政府間實體———經濟合作發展組織（OECD）的科學論壇批准建立以美國為領頭國家的神經信息學工作組，參與國包括美國、英國、德國、法國、瑞典、挪威、瑞士、澳大利亞、日本等19個國家，歐洲委員會也作為正式成員參加。其目的是組織和協調全世界神經科學和信息學家共同研究腦、開發腦、保護腦和創造腦。根據規定，成員國之間可利用電子網路尋求研究協作夥伴，進行數據交換和科研協作，可以免費使用通用神經信息學資料庫和信息工具，承擔科研任務，同享科研成果和腦研究資源。　　美國國立精神衛生研究院副主任，美國國立衛生研究院神經信息學部主任——考斯陸博士是全球人類腦計劃的負責人。考斯陸博士是一名神經藥理學家，他在神經科學、心理學和藥理學等領域出版了多本著作，發表了100多篇科研論文，還得到了十幾個不同的榮譽和獎章。考斯陸博士創建 N IH第一個神經科學項目，並出任 N IMH基礎與臨床神經科學部主任。幾年前他又創建了著名的人類腦計劃並出任 N IH該機構主任，該機構目前已資助數千萬美元專項科研經費用於人類腦計劃和神經信息學的研究。美國的幾個著名大學，如哈佛大學、耶魯大學、加州大學、康乃爾大學等都承擔了人類腦計劃的研究課題。　　沒有一個國家能獨立完成「人類腦計劃」這項巨大的工程，它需要像人類基因組計劃那樣開展國際間的大規模協作。目前，國際性的神經信息合作組織已在全球召開了4次工作會議，共同策劃「全球性人類腦計劃和神經信息學」。具體已提出幾項重大建議：創建全球性的神經信息學電子網路，開發先進的神經信息學工具、方法和資料庫，通過數據資源共享和建模模擬來了解神經系統的結構和功能，推動科學進步。研究目的　　揭示大腦的奧秘是新世紀人類面臨的最大挑戰　　生命是什麼？「人活著」是怎麼一回事？大腦如何思維？數不清的疑問浮現在人類的腦海中。人之所以成為萬物之靈，有別於其它物種，是因為人類有極其複雜的大腦，它是千百萬年進化的結晶。在過去的六億年中，生物體通過進化產生出由大量神經元相互聯結而形成的神經網路，解決了在不斷變化的複雜環境中人腦如何處理各種複雜信息的問題。尤其是人的高級認知功能的高度發展，使得人類成為萬物之首，具備了主宰世界的能力。科學研究發現，一個成人大腦重約3．3磅，體積1．5公升，腦內有上千億個神經細胞，還有超過10（上角14，即10的14次方）個神經突觸。大腦是生物體內結構和功能最複雜的組織，是接受外界信號、產生感覺、形成意識、進行邏輯思維、發出指令產生行為的指揮部，它掌管著人類每天的語言、思維、感覺、情緒、運動等高級活動。人腦也是極為精巧和完善的信息處理系統，是人體內外環境信息獲得、存儲、處理、加工和整合的中樞。　　由於人腦的結構和功能極其複雜，需要從分子、細胞、系統、全腦和行為等不同層次進行研究和整合，才有可能揭示其奧秘。為此，世界各國投入了大量的人力和財力進行專門研究，美國把九十年代最後十年定為「腦的十年」，歐洲確定了「腦的二十年研究計劃」，日本將21世紀視為「腦科學世紀」，腦科學的研究熱潮遍布全球。科學家們提出了「認識腦、保護腦、創造腦」三大目標，人們相信腦科學的研究成果將為人類更好地了解自己、保護自己、防治腦疾病和開發大腦潛能等方面做出重要的貢獻，「了解大腦、認識自身」是21世紀的科學面臨的最大挑戰。建立之初　　繼人類基因組計劃之後又一國際性的科研計劃　　近年來， N ature、Science、Trends in Neuroscience等著名學術期刊對人類腦計劃與神經信息學紛紛進行了報道。他們認為人類腦計劃比基因組計劃更大，囊括了更加廣泛的內容，是一項更加偉大的工程。　　1996年，以美國為首的神經信息學工作組建立，其目的是組織和協調全世界神經科學和信息學家共同研究腦、開發腦、保護腦和創造腦。根據規定，成員國之間可利用電子網路尋求研究協作夥伴，進行數據交換和科研協作，可以免費使用通用神經信息學資料庫和信息工具，承擔科研任務，同享科研成果和腦研究資源。　　2001年7月，唐一源教授應美國國立衛生研究院神經信息學部主任、全球人類腦計劃負責人考斯陸博士的邀請，訪問美國 N IH人類腦計劃與神經信息學總部，並做專題報告「中華人類腦計劃與神經信息學的進展」，使考斯陸博士及美國其他科學家認識到中國的實力和決心。於是考斯陸博士發出專函：「同意中國唐一源、唐孝威和尹嶺博士參加始建於2000年的經濟合作與發展全球科學論壇神經信息學工作組」。考斯陸博士認為中國專家參加這一活動具有極其重要的意義，這將有助於中國在這一領域的研究與國際發展保持同步，中國的參與將會對全球神經信息學的形成和發展產生重大影響。　　2001年10月4—5日，我國科學家赴瑞典參加了人類腦計劃的第四次工作會議，成為參加此計劃的第20個成員國。中國科學家表示，要積極配合國際神經信息網路及資料庫，建立中國獨特的神經信息平台、電子網路和信息資料庫，才能在合作中不受制於人，更好地和國外科學家協作，共享科研成果和國際資源。建立新學科　　1970年至2000年的30年間，美國神經科學學會的會員人數增長了近30倍，2000年達到28，000人左右，每年年會的論文摘要增長了近100倍，2000年已達到15，000篇左右，遍布神經科學研究的各個領域。以往有關腦的研究包括神經解剖、神經生理、神經病理、神經生化、神經免疫、神經電生理、神經心理等，已經獲得了大量有關動物腦和人腦的實驗數據和研究結果。近年來分子神經生物學研究從基因水平來揭示人腦的奧秘，先進的基因晶元技術在每秒鐘就可以得到大量的實驗數據。腦功能成像（ f MRI、PET等）的應用使我們能夠從活體和整體水平來研究腦，好比窺探腦的窗口，可以在無創傷條件下了解到人的思維、行為活動時腦的功能活動。這些新方法、新技術極大增強了我們從微觀與宏觀兩個水平上進行腦研究的能力，同時也產生了海量的實驗數據。沒有哪個科學家、實驗室能夠掌握所有的信息並獨立地進行腦的全面研究。　　面對這樣的信息爆炸，我們應該怎麼辦？我們以往的科研模式是否需要變革？答案只有一個：新的需要產生新的學科，新的模式產生新的突破。神經科學家面臨的重要問題之一，就是能否靈活有效地管理數據，最大限度地利用實驗數據，減少不必要的重複性研究和人力、物力的浪費。　　計算機和信息技術的飛速發展為我們提供了解決方案，信息工具的應用為我們解決這一問題創造了條件。所以，建立全球神經信息資料庫和神經信息電子網路，已經迫在眉睫。神經科學家和信息學家都在呼籲，應加強神經科學和信息學的合作和相互滲透，採用一種新的研究模式，即實驗數據→數學理論→計算機模擬和預測→生物學實驗驗證→數學模型與驗證後的理論，往往可以達到事半功倍的作用，大大加快腦的研究進程。我國發展水平　　加入人類腦計劃共享神經信息資源　　許多科學家認為，我國的神經信息學的總體研究水平落後於發達國家，今後10年是神經信息學快速發展的階段，也是競爭性最強的階段。我們加入越晚，失去的機會就越多，造成的損失就越大。由於我們沒有足夠的時間和財力去開發研製自己的資料庫和信息工具，即使研製出來，也得不到國際上的承認，難以與國際接軌。如果購買或租用國外的信息工具，不但造成經濟損失，而且中國在這方面的研究會永遠處於被動狀態。　　同時，神經科學研究日益深入和專業化，幾乎沒有哪一個科研人員能夠精通腦科學的全部領域。顯然，以往通過發表論文或參加會議來進行學術交流的形式已嚴重製約了科研思路和成果的產生。而國際人類腦計劃中的神經信息電子網路可以為研究人員提供信息交流的快速工具，成員國的科學家可以利用神經信息電子網路進行數據交換、分析、整合、建模等工作。參加國際的合作會極大促進國內有關工作的進行。不過，所有這一切都必須有一個大前提———加入國際性神經信息合作組織，參加國際人類腦計劃的研究工作。　　在人類基因組計劃這個宏偉的全球性科研大計劃中，我國科學家經過艱苦卓絕的努力，克服了重重困難，爭取到1％的測序任務。然而，就是這1％產生了巨大的政治和經濟效益，再一次向世界宣告，中國科學家具有做出世界一流科研成果的能力，使中國躋身於人類基因組計劃的行列，站到了這一研究領域的前沿，並理所當然地分享人類基因組計劃的研究成果。　　唐一源教授與美國 N IH神經信息學部主任、國際人類腦計劃與神經信息學工作組織總負責人考斯陸博士一直保持著緊密的聯繫。經過持續不懈的努力，考斯陸博士終於同意唐一源教授作為特邀代表，首次參加在日本理化研究所舉行的「全球科學論壇神經信息學工作組」第三次會議。唐一源教授在這次會議上，首次向全世界19個國家的代表介紹了中國在本領域的工作，引起強烈反響。同時應邀訪問美國幾個重要的「人類腦計劃與神經信息學」研究基地，與負責人廣泛交流探討，探索國際合作研究項目，參與人類腦計劃。此舉使考斯陸博士及美國其他科學家認識到中國的實力和決心，於是考斯陸博士發出專函：「同意中國唐一源、唐孝威和尹嶺博士參加始建於2000年的經濟合作與發展全球科學論壇神經信息學工作組」。考斯陸博士認為中國專家參加這一活動具有極其重要的意義，這將有助於中國在這一領域的研究與國際發展保持同步，中國的參與將會對全球神經信息學的形成和發展產生重大影響。　　考斯陸博士應唐一源教授邀請訪問中國，在大連理工大學、解放軍301醫院、168次香山科學會議分別做了「人類腦計劃及其資助機會」的科學報告，引起強烈反響。同時國家自然基金委、科技部等有關部門的領導非常重視和關注人類腦計劃與神經信息在國內的發展，分別會見了考斯陸博士並進行了友好協商，支持中國參與全球人類腦計劃。在國家科技部、自然基金委、301醫院、大連理工大學、浙江大學、中國科學院等單位領導的支持下，經國內本領域科學家的共同努力，2001年9月，中國正式成為參與人類腦計劃與神經信息學研究的第20個國家，意味著中國在這一研究領域已經和國際接軌。憑特色加入計劃　　在國家自然科學基金委和科技部的大力支持下，我國腦科學在基礎和臨床研究方面取得了不少科研成果，在某些領域達到了國際先進水平。解放軍301醫院、大連理工大學、浙江大學、中科院等單位積极參与並組織關於中華人類腦計劃和神經信息學的工作，在近一年中，先後召開了兩次「中華人類腦計劃和神經信息學」的專家研討會，專家們就許多關鍵的問題進行了深入探討。今年9月，由國內40餘位神經、化學、數學、信息等方面的專家會聚香山，召開了題為「人類腦計劃與神經信息學」的第168次香山科學會議，專家們認真討論了國內外腦研究的狀況、我們如何應對國際形勢等問題，一個關鍵性的問題已逐漸明朗———憑中國特色加入國際人類腦計劃。　　在美國人類腦計劃的資助下，美國各相關科研機構已初步彙集和建立了各種神經信息資料庫和信息處理工具，並正與超級計算機中心、歐洲聯盟等聯網合作，建立全球神經信息工作平台，該系統有數據質量控制的標準和規定，也有一系列數據檢索、分析、整合、建模等工具。目前人類腦計劃開展的國際大合作，使用通用資料庫，統一格式、統一標準，將腦的結構和功能、微觀和宏觀的研究結果聯繫起來，繪製出健康和疾病狀態下腦的功能、結構、神經網路、細胞和分子生物學的「圖譜」。成員國的科學家們可以在資料庫中進行搜索、比較、分析和整合，並進行數學模擬和模擬計算，這將十分有利於理論假設的形成和研究者之間的電子合作，也可以避免不必要的重複性研究。　　我國專家在深入探討、反覆論證後，大家普遍認為，在浩大的人類腦計劃中，中國不可能處處涉足，必須發揮自己的長處，利用我們人類腦資源豐富和計算機信息學研究方面的一定優勢，在具有中國特色的傳統醫學（如針刺等）、漢語認知與特殊感知覺的神經信息學研究等領域深入開展工作。將具有中國特色的人類腦計劃和神經信息學研究項目加入全球人類腦計劃之中，建立中國獨特的神經信息平台、電子網路和信息資料庫，才能在合作中不受制於人，更好地和國外科學家協作，共享科研成果和國際資源。　　開展中國特色的人類腦計劃與神經信息學研究，無疑將大大加深人類對大腦的認識和自身的認識。可以預料，像人類基因組計劃一樣，在國家的支持下，引進新的科研協作和風險投資運行模式，通過國內本領域的專家齊心協力、聯合攻關，以開放的新模式吸納社會資源，從研究、產業等幾個方面同時啟動，必將會極大推動人類對自身的認識，造福全人類。擴展閱讀：香山科學會談 神經信息學和科學數據共享 http://www.xssc.ac.cn/Web/ListConfs/ConfBrief.asp?rno=879
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