解讀大腦活動圖譜

張文韜/編譯

將思維停在此刻：通過BAM項目開發的新技術可以監測巨大的神經元集群，當神經興奮時，可以將其電路的靜態圖片變成活動的

據《紐約時報》披露，奧巴馬政府擬在下一財年預算提案中推出一個大科學計劃項目——大腦活動圖譜（BAM）計劃，旨在拓展人們對人類大腦健康或病理狀態的認識。據悉，要完成這一據稱可與人類基因組計劃(HGP)比肩的項目需投入數十億美元。為此，《科學》雜志的“科學線人”欄目圍繞該項目的一些相關話題逐一進行了解答。

什么是大腦活動圖譜（BAM）

鑒于目前的進展和技術手段，神經科學家只能粗略地測量大腦活動，包括正在使用的正電子發射斷層掃描（PET）技術和核磁共振成像（MRI）技術，也只能通過某些參數來監測腦內“被激活”的區域，或者測量單個或少量神經元組的電活動。在大范圍觀測上，PET和MRI缺乏精細的細節，只能獲得“模糊”的圖像；而聚焦于小簇神經元時，就像是近距離關注局部而忽略了整體。研究人員普遍認為，產生思維和知覺的大腦功能涉及幾千數百萬神經元，目前他們還不具備監測這種神經元集群的手段。他們同時認為，若要獲得詳細的人類大腦活動圖譜，則需要開發新的成像工具，而且首先必須從動物模型入手。目前還不清楚BAM會繪制哪些狀態的圖譜。理論上，這些工具或模型有助于科學家了解諸如癲癇癥或精神分裂癥在大腦活動中的一些異常。這些病癥通常被懷疑起源于大腦不同區域之間的異常神經連接。

哪些機構參與了BAM提案

美國國立衛生研究院（NIH）很可能擔當BAM提案的組織者。美國國家科學基金會（NSF)、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）和白宮科學和技術政策辦公室（OSTP）也在參與促進該提案的最終形成。其中，卡弗里基金會、艾倫腦科學研究所和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）已率先致力于BAM項目的推廣。今年1月，微軟、谷歌和高通公司就該項目的數據分析召開了一次研討會。

BAM提案產生的背景

2011年9月，由卡弗里基金會、艾倫基金會和蓋茨比基金會在英國共同主辦的一次研討會上，曾領導個人基因組計劃（PGP）的分子遺傳學家喬治·丘奇（George Church）和哥倫比亞大學的神經科學家拉斐爾·尤斯特 （Rafael Yuste）在會上掀起了波瀾，他們提出，借助新技術開發，開展一項大規模、協調一致的用以跟蹤人類大腦功能連接活動的項目，直至對每個神經元乃至軸突功能詳盡了解的條件已經具備。盡管部分與會者對此表示質疑，但該提案還是引起大家足夠的熱情，并在卡弗里基金會科學項目部副總裁全美永推動下產生了BAM白皮書。在同年12月召開的一系列會議上，正式向NIH、DARPA和OSTP提出了這一項目。

次年1月6日，在加州圣莫尼卡舉行的卡弗里基金會未來研討會上，BAM項目作為一項主要議題被推向了一個新的高度；緊接著在《神經元》雜志發表了實施該項目目標的相關細節（主要集中在動物研究上）。7月，OSTP在征集科學技術領域有“巨大挑戰”或類似HGP項目時，全美永和其他《神經元》論文合作者被要求簡化他們的提案，更側重對人體的應用。

BAM真的是關于人腦研究的

早期的BAM項目描述（例如《神經元》論文中提及的）主要是著眼于動物模型展開的。然而，在過去的幾個月里，經過全美永及其同事與OSTP的溝通，提案則進一步明確了人體應用的重要性。尤斯特說，在與OSTP、NIH的合作中，新版提案與病人護理有著更實際的聯系，真正促進了團隊朝著更富有“社會責任”的方向努力。

強調對人體的應用，也可能會使人們對研究的實際范圍產生誤解。例如，《紐約時報》指出，科學家們打算十年內構建起人類大腦活動的“全面地圖”；而現實是，BAM項目前期重點將主要集中在動物模型上。HHMI執行董事杰拉爾德·魯賓（Gerald Rubin）說：“《紐約時報》的文章沒能很好的表述官方計劃。”魯賓在一封郵件中寫道：“特別是出于科學和倫理的原因，第一個十年的大部分經費主要用于“模式生物”的實驗。

BAM預計多久可以完成

BAM項目的規劃文件比《紐約時報》暗示的要保守得多。科學家們預計，五年后他們的監測能力將達到或相當于秀麗隱桿線蟲的整個大腦活動，其中有302個神經細胞和大約7 000個神經連接；十年后，期望完成相當于果蠅模型的全腦圖譜，約13萬個神經細胞；十五年后，將能夠觀察到斑馬魚的腦功能或小鼠大腦皮層的幾個區域。

NIH和其他聯邦機構還沒有公布提案的詳細信息。然而，從《神經元》和“科學線人”獲得的最新版本來看，全美永及其同事計劃將BAM項目分為四個階段：第一，著眼于研制新的成像工具，利用光線穿透進入腦組織，以檢測或控制細胞的功能；第二，著力于研究下一代電子探針，便以同時監控和處理大量的細胞；第三，創新納米技術，以記錄單個神經元活動；最后，像HGP一樣，研究開發數據共享和分析系統。

BAM最終成本將是多少

據《紐約時報》稱，科學家們希望能獲得超過十年、每年3億美元的經費資助，但沒有解釋這么做的原因。相比之下，HGP花費了38億美元（NIH官員說，在總統公布下一財年預算之前，他們無法對項目資金發表評論）。目前尚不清楚這些經費中有多少是來自對現有神經科學項目的重組。卡弗里基金會每年將資助400～500萬美元。HHMI和艾倫腦科學研究所正在做的相關研究將會是這一項目中的一部分。

BAM是否會引發爭議或通過

在紐約冷泉港實驗室的神經學家帕爾塔·米特拉 （Partha Mitra）看來，BAM中提出的許多創新手段，諸如深層滲透腦組織的新型光基技術如同“科幻小說”。他認為，該項目并沒有廣泛征詢神經科學界的意見，不利于BAM的實施。而最近得到資助的歐盟 “人腦計劃”（HBP），就經過了更多的公開討論，盡管也引發不少人的批評。

尤斯特指出，在啟動HGP時，也曾遭遇過類似的情況。他強調，啟動BAM項目可能比想像中更為困難和復雜，但我們需要這樣一個大的挑戰來激勵新工具的研發和多領域科學家之間的合作。作為一個領域，神經科學“已經長大，舊衣服或以不合身了”。他希望，這一神經科學項目將像其他大科學項目一樣，如HGP和國家納米技術計劃，給予自己領域的發展更多地關注。

發展神經科學研究歷來是美國兩黨的共同興趣，但白宮是否已向國會提出擬建項目的討論目前尚不清楚。鑒于目前大多數科研機構開始減少投入的背景下，如果政府削減開支再加上削減NIH預算的5.1%，很難確定NIH最終是否會把錢投入到一個新的大型項目中。