“腦計劃”是當前創新的制高點

曼哈頓計劃、阿波羅登月計劃和人類基因組計劃是人類歷史上劃時代的三項偉大科技創新計劃，每項計劃都帶動了科技的全面創新，深刻改變了世界。

2013年4月2日，美國總統奧巴馬宣布投入巨資啟動“腦計劃”，這是繼人類基因組計劃之后的又一項重大科研計劃。奧巴馬說，“腦計劃”將給予科研人員所需資源，幫助他們獲取大腦運轉狀態下的動態圖像。“我們在人類基因組計劃中每投入1美元，就會給美國經濟帶來140美元的回報。現在是自太空競賽以來，美國的研發水平達到新高度的時候了。”

“腦計劃”是神經科學和信息科學相互結合研究項目，是利用信息技術，對大量腦研究數據進行分析、處理，繪制出腦功能、結構和神經網絡圖譜，建立神經信息學數據庫和神經系統全數據的全球知識管理系統，以便從分子水平、細胞水平和腦整體系統水平來“認識腦、保護腦和創造腦”。

腦組織主要由相互聯接的神經元細胞組成。但科學界尚不了解大腦的工作機制，就連對只有302個神經元的蠕蟲“腦”，也不能完全揭示其奧秘，對于高級動物的大腦工作機制更是基本一無所知。當前動物研究的最高水平，是用磁共振成像探測約1000個神經元，但人腦有1000億個神經元。

近年神經信息學正朝著建立全腦神經網絡圖譜的方向前進。德國將大腦切成7400張20微米厚的切片，先后經過染色、光學顯微鏡成像，使用兩臺超級計算機耗時42天處理數據，完成三維重建，下一步是對25納米的腦切片進行電子顯微鏡圖像的三維重建；鈣成像技術將鈣分子相結合的基因工程蛋白質注射到大腦內，當單個神經元放電時，鈣分子將會流入細胞內，進而激活染料或蛋白質；光遺傳學技術利用一束光線照射大腦，經過光線照射后的神經元會留下蛋白質痕跡。這些方法可以在不介入大腦本身的情況下，獲得腦內的神經元關系。

迄今為止的神經元探測技術均處于發展早期，而對科學界來說，更大的挑戰在于信息處理。

科學家估計，1立方毫米的腦組織電子顯微鏡數據量為2000TB ，人類大腦靜態數據量會高達200EB。與之相比，今天互聯網上的大數據甚至連“小數據”也算不上。而人類大腦活動30秒產生的動態數據相當于哈勃太空望遠鏡終生獲得的數據。

因此，“腦計劃”的挑戰首先在于：當前最先進的信息技術都無法勝任，必須開發出儲存和分析這些宏大數據的新型工具。“腦計劃”的一個重要挑戰是開發計算機語言，以更有效地利用超級計算機的潛力。由于數據實在太大，必須讓超級計算機對一些腦區的數據進行壓縮，以提供資源給需要分析的問題。

“腦計劃”使得神經科學和信息科學成為當今科學研究的兩大熱點，兩大學科融合而成的神經信息學位于醫學、生物學、物理學、計算機科學、數學與工程技術的交叉點。神經信息學還將從信息處理的角度出發來研究人腦，研究神經系統信息的載體形式、神經信息的產生、傳輸與加工，以及神經信息的編碼、存儲與提取機理等，并從系統和信息的角度出發，建立以生物學實際為基礎的神經網絡模型。

“腦計劃”是人類共同的科技創新制高點。