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【柳子厚專欄】電腦重建人腦,進展如何?

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文 / 攝影  柳子厚

花了 10 年時間、約 500 名科學家和約 6 億歐元的資金,現在歐盟資助的最大研究項目之一「人腦計劃」即將結束。它的大膽目標是通過在計算機中建模來了解人腦。米里亞姆·納達夫Miryam Naddaf發表在最新一期《自然》(Nature)的<歐洲花費 6 億歐元在計算機中重建人腦。進展如何?> (Europe spent €600 million to recreate the human brain in a computer. How did it go?) 指出,「十年後,人腦計劃於 9 月結束。大自然審視它的成就和它麻煩的過去。」(The Human Brain Project wraps up in September after a decade. Nature examines its achievements and its troubled past.)

人類大腦計劃(HBP)幾乎無所不能

人類大腦計劃(HBP) 旗下的科學家發表了數千篇論文,並在神經科學領域取得了重大進展,例如創建至少200 個大腦區域的詳細3D 地圖、開發用於治療失明的大腦植入物以及使用超級計算機對記憶和意識等功能進行建模,並推進對各種大腦疾病的治療。

「項目開始時,幾乎沒有人相信大數據的潛力以及使用大數據或超級電腦來模擬大腦復雜功能的可能性,」布魯塞爾歐盟委員會副總幹事托馬斯·斯科達斯 (Thomas Skordas) 表示。然而,幾乎從一開始,HBP 就招致了批評。該項目沒有實現模擬整個人腦的目標——許多科學家一開始就認為這個目標是遙不可及的。HBP 成員、巴黎法國國家研究機構 CNRS 的研究主任、認知科學家伊夫·弗雷尼亞克 (Yves Frégnac) 表示,它多次改變方向,其科學成果變得「支離破碎、馬賽克狀」。對他來說,該項目未能提供對大腦的全面或原創的理解。「我看不到大腦;我看到了大腦的一部分,」弗雷尼亞克說。

世界上最大的大腦圖譜如何改變神經科學

HBP 董事希望通過作為該項目的一部分創建的名為EBRAINS的虛擬平台,讓這種理解更進一步。EBRAINS 是一套工具和成像數據,世界各地的科學家可以使用它來運行模擬和數字實驗。法國艾克斯-馬賽大學的神經科學家、HBP 董事會成員維克托·吉爾薩 (Viktor Jirsa) 表示:「今天,我們手頭上擁有構建真正的數字大腦雙胞胎的所有工具。」

但該分支的資金來源仍不確定。當其他地方的大型、昂貴的大腦項目如火如荼地進行時,歐洲的科學家們卻對他們的版本正在逐步結束感到沮喪。阿姆斯特丹大學計算神經科學家豪爾赫·梅賈斯(Jorge Mejias) 於2019 年加入HBP,他說:「我們可能是最早引發這股對大腦興趣浪潮的人之一。」現在,他說,「每個人都在爭先恐後,我們沒有時間小睡一下」。

當科學制定新路線時,爭議自然會隨之而來

HBP從一開始就備受爭議。該項目於 2013 年推出時,其主要目標之一是開發更好地了解大腦功能和組織及其疾病所需的工具和基礎設施,以及基礎和臨床神經科學方面的小型項目。這是當年獲得資金的兩個長期研究項目之一,旨在促進歐洲的工業發展。另一個是研究石墨烯潛力的項目。

HBP 承諾提供 10 億歐元(11 億美元)資金。最終,它收到了 6.07 億歐元,其中包括來自歐盟的 4.06 億歐元,分四個階段發放,並逐漸流入每個階段競爭撥款的實驗室。但在第一年,HBP 就遇到了麻煩。瑞士洛桑聯邦理工學院 (EPFL) 創始人兼前所長、神經科學家亨利·馬克拉姆 (Henry Markram) 表示,HBP 將能夠在十年內在細胞水平上重建和模擬人腦。馬克拉姆的主張引發了神經科學家的廣泛懷疑。「當科學制定新路線時,爭議自然會隨之而來,」馬克拉姆說。

神經科學界的一些人還沒有準備好團結起來

英國劍橋大學計算神經科學家蒂莫西·奧利裡(Timothy O’Leary)並非 HBP 成員,他表示,這個崇高目標可能有助於 HBP 取得進展。「目前尚不清楚,如果沒有某種荒唐的雄心勃勃的目標,HBP 是否會獲得資助。」

隨著時間的推移,馬克拉姆的領導越來越不受歡迎。2014 年,他和執行委員會的其他兩名成員改變了項目的重點,取消了認知神經科學的大量研究,導致 18 個實驗室網絡退出了該項目。馬克拉姆表示,對於各種武器的資金來源存在爭議。作為回應,超過 150 名科學家簽署了一封抗議信,敦促歐盟委員會在第二輪資助之前及時重新考慮 HBP 的目的。信中稱,HBP管理不善,部分偏離了其科學進程。「很明顯,神經科學界的一些人還沒有準備好在單一願景下團結起來,」馬克拉姆說。

涵蓋大腦模擬、高性能分析和計算以及神經機器人

歐盟成立了一個由獨立專家組成的委員會,負責研究該項目的運行情況並修改其科學目標。委員會建議 HBP 應重新評估並更明確地闡明其科學目標,並將認知和系統神經科學重新納入其核心計劃。2015年2月,HBP董事會投票決定解散三人執行委員會,並以更大的董事會取而代之。這場騷動讓一些科學家對該項目持謹慎態度。「這種懷疑情緒一直持續著,」梅希亞斯說。

與此同時,大型大腦項目在其他地方啟動或加速進行。美國和日本與 HBP 幾乎同時啟動了大腦項目——前者將持續到 2026 年,後者希望總共運行 15 年。中國的大腦項目於2021年啟動,澳大利亞和韓國的項目均已進入第七個年頭。HBP 的鬧劇並沒有隨著執行委員會的解散而結束。2016年至2020年間,該項目的高層管理人員發生了多次變動。與此同時,科學開始加速發展。2016年,隨著項目的開發階段,HBP推出了六個專業操作平台,涵蓋大腦模擬、高性能分析和計算以及神經機器人等領域。

德國於利希研究中心的神經科學家、HBP 的科學研究主任卡特琳·阿蒙茨(Katrin Amunts) 表示,這個想法是隨著時間的推移將這六條鏈整合起來,但在一開始,「它們相當獨立」。「擁有像 HBP 這樣的大項目意味著需要一個學習過程,而不是從一開始就一切順利,」她說。

除了管理之外,HBP 還積累了一些重要且有用的科學知識。通過創建並組合大約 200 個大腦皮層和更深層大腦結構的 3D 地圖,HBP 科學家製作了人類大腦圖譜,可通過 EBRAINS 訪問。該圖譜描繪了大腦的多層次組織,從細胞和分子結構到功能模塊和連接。

「人腦圖譜有點像谷歌地圖,但針對的是大腦,」阿蒙茨在 3 月份 HBP 峰會 2023 的新聞發布會上說道。

紀錄片講述了耗資十億歐元的大腦項目的內爆

該地圖集使用死後大腦數據生成標準化地圖,解釋了人與人之間的自然變異。HBP 科學家利用該圖譜確定了前額皮質中六個以前未知的大腦區域,這些區域有助於記憶、語言、注意力和音樂處理4。它還將其圖譜與艾倫人腦圖譜中的基因表達數據聯繫起來,這是由華盛頓州西雅圖艾倫腦科學研究所開發的數據庫,該數據庫描述了整個大腦的神經元特徵。利用配對圖譜,研究人員揭示了與抑鬱症相關的基因表達變化如何與額葉皮層區域的結構和功能變化相關聯。

HBP 研究人員還開發了獨特的算法,可以根據顯微鏡圖像構建大腦區域的全尺寸支架模型。利用這個工具,研究人員繪製了海馬體 CA1 區域的詳細地圖,該區域對記憶很重要。該圖包含大約 500 萬個神經元和 400 億個突觸6。

模擬大型類腦系統的神經網絡做出了貢獻

HBP 已將一些發現轉化為臨床應用,使用個性化的大腦模型(或「數字雙胞胎」)來改善癲癇和帕金森的治療。吉爾薩解釋說,數位孿生是人腦的數學表示,它將個人的掃描結果與模型融合在一起。Jirsa 和他的同事於 2019 年 6 月啟動了一項名為 EPINOV 的臨床試驗,以測試使用腦部掃描數據構建的數字模型是否有助於識別癲癇發作的起源並提高癲癇手術的成功率。Jirsa 說,這是「在 EBRAINS 之外我無法做到的事情」。EPINOV 試驗已在法國 11 家醫院招募了 356 名受試者。Jirsa 希望通過 EBRAINS 向其他研究人員提供該試驗的成像數據。

HBP 最初的項目計劃包括開發以大腦為模型的計算系統。HBP 科學家為可以模擬大型類腦系統的神經網絡做出了貢獻,可以測試有關大腦如何工作的想法,也可以控制其他硬件,例如機器人或智能手機。

大科學並不總是關於登月計劃

巴黎綜合神經科學和認知中心的神經科學家戴維·漢塞爾(David Hansel)並未參與該項目,他表示,HBP 缺乏優先順序和有限的合作,意味著它未能充分利用其規模並真正團結神經科學界。一個共同的目標。「它沒有列出需要解決的首要且合理的問題。基本上,『目標』是了解大腦。」美國國立衛生研究院位於馬里蘭州貝塞斯達的大腦研究通過推進創新神經技術(BRAIN) 計劃的主任John Ngai 認為,該計劃的重點是開發對大腦進行編目、監測和測量的工具,他認為強調數據收集而不是假設驅動的科學是站得住腳的。「大科學並不總是關於登月計劃,尤其是當實現主要目標的步驟不確定時。」

9月底,HBP將停止發放資金。儘管該項目中的一些努力已經獲得了繼續開展工作的資助,但對於許多部分或全部與 HBP 合作的研究人員來說,未來是不確定的。

但 Amunts 和其他人希望 HBP 的工作和 EBRAINS 平台將成為未來幾年歐洲神經科學的基礎。「對大腦的研究需要了解大腦的多層次和多尺度,」阿蒙茨說。

2018 年 1 月,HBP 獲得了 5000 萬歐元(其中來自歐盟的 2500 萬歐元),用於為 EBRAINS 開發交互式超級計算工具和數據存儲服務。

人腦計劃中的大腦在哪裡?

例如,研究人員已經在使用該平台來觀察大腦如何對刺激做出反應,並開發模仿大腦的機器人。Ngai 表示,HBP 轉向 EBRAINS 已經產生了一個有價值的工具。其他地方也存在類似的平台,但它們缺乏 EBRAINS 提供的規模和服務。

3 月份,歐盟委員會拒絕了 EBRAINS 維持運行所需的 3800 萬歐元的申請,但在與 HBP 談判後於 6 月份重新啟動了同樣的資金徵集,為該團隊提供了另一次申請機會。如果不成功,該平台將依賴私人資金和歐盟各個國家的財政支持。

與此同時,歐盟委員會正準備進行盤點。該項目的最終審查將於 11 月開始,預計將於 2024 年 1 月發布。「如果我們不想經歷全球神經科學領域的人工智能冬天,我們就需要讓它受到尊重。」 我們確實需要評估這種旗艦計劃是否良好。」Frégnac 說道。

然而,EBRAINS 首席執行官兼 HBP 總幹事 Paweł Świeboda 表示,HBP 的終結並不意味著歐洲神經科學的終結。

歐盟委員會和成員國正在規劃歐洲大腦健康研究的下一階段,重點是使用個性化大腦模型來推進藥物發現和改善大腦疾病的治療。但研究人員表示,未來的項目需要避免困擾 HBP 的困境。「我們不想像開始時那樣再做一次 HBP,」O’Leary 說。「我們需要支持小規模、重點突出的科學以及雄心勃勃的綜合項目。」他說,最終,這個大型項目確實創建了專注於一些共同目標的科學家社區。「這是一項持久的遺產。」

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