各國腦計劃實施特點對我國腦科學創新的啟示

李萍萍， 馬 濤， 張 鑫， 吳函蓉， 孫燕榮

(中國生物技術發展中心，北京 100039)

人腦是世界上最復雜、最神秘的天然信息加工系統，加強腦科學研究不僅有助于人類更清晰地認識自我，而且對降低神經系統疾病的社會負擔、發展類腦智能、搶占未來智能社會發展先機都十分重要。

近年來，世界各國紛紛啟動腦計劃，腦科學研究不斷深入[1]。腦科學大國間的合作共享機制逐步完善，同時，競爭博弈也日趨激烈。2017年12月，美國、歐盟、澳大利亞、韓國和日本的腦計劃代表在澳大利亞簽署了《發起國際腦計劃的意向聲明》，籌劃成立一個由多國組成的國際腦計劃組織《Declaration of Intent to Create an International Brain Initiative(IBI)》。我國歷來重視腦科學領域科技創新，并進行了積極部署和籌備。梳理各國腦科學計劃的發展概況并分析其發展特點，對我國未來在該領域的科技布局具有重要參考意義。本文針對幾個主要發達國家腦計劃的進展進行梳理分析，并為我國腦科學領域科技創新提出幾點建議。

1 各國腦計劃概述

1.1 日本

日本腦計劃(Brain Mapping by Integrated Neu-rotechnologies for Disease Studies, Brain/MINDS)于2014年啟動，計劃每年投入2700～3600萬美元，實施周期為10年。其目標是建立狨猴大腦發育和疾病發生的動物模型，加快對人類大腦疾病，尤其是神經退行性疾病的研究。研究內容包括非人靈長類動物(尤其是狨猴)的大腦結構和功能圖譜、創新型大腦成像技術、人類大腦圖譜與臨床研究[2-3]。與美歐腦計劃不同，MINDS的腦研究聚焦于狨猴[4]。

該計劃的現狀及進展主要有: (1) 繪制出狨猴的腦功能圖譜，在單細胞層面分析狨猴生長發育不同功能/意識區域的定位，并建立狨猴帕金森疾病模型；(2) 建立數據門戶網站，收錄人腦圖像、狨猴大腦參考圖譜、狨猴大腦MRI影像、狨猴大腦基因圖譜等數據集；(3) 未來將啟動Japan Brain/MINDS-Beyond計劃，吸引更多除本土腦科學家之外的全球各國腦科學工作者共同參與分享神經科學研究的數據及技術。

1.2 歐盟

歐盟腦計劃(EU Human Brain Project, EU HBP)于2013年10月啟動，規劃周期為10年，旨在建立用于模擬和理解人類大腦所需的信息技術、建模技術和超級計算技術平臺[5]。該計劃以千兆級運算為基礎，由來自19個國家的118家腦科學研究所組成，共設置12個子項目，規劃總投入10億歐元。12個子項目為SP1小鼠腦結構、SP2人類腦結構、SP3系統性認知神經科學、SP4理論神經科學、SP5神經信息平臺、SP6大腦模擬、SP7高性能分析計算平臺、SP8醫學信息平臺、SP9神經擬態計算平臺、SP10神經機器人平臺、SP11管理與協調、SP12社會與倫理。與其他國家的腦計劃相比，EU HBP更側重通過超級計算機技術來模擬腦功能，部分腦科學家擔心該計劃將忽視腦科學基礎研究的作用[6]。

該計劃以“可發現的、可存取的、可共同使用的、可重復使用的”4大原則(FAIR principles)從各子項目內收集腦科學研究的最新數據。這些數據共同構成一系列“多方數據共享、建模理論匯集以及交叉模擬驗證”的閉環科研體系，從而打造匯聚腦科學、認知神經科學以及類腦計算的聯邦信息共享平臺。

1.3 韓國

為了加快腦研究的發展，促進技術產業化，韓國在1998年制定了《腦研究促進法》。經歷兩個“十年計劃”，韓國提出了面向2030腦科學創新計劃(Korean Brain Innovation 2030)，重點支持方向包括基于創新科技及新一代人工智能算法的連接組學分析技術及促進神經系統疾病早診早治的精準醫療技術。2016年5月30日，韓國未來創造科學部發布《腦科學發展戰略》，并將此作為韓國腦科學計劃的起點。韓國計劃投入3億美元，使韓國2023年發展成為腦科學研究新興強國。其具體目標包括取得超過10項世界最高水平腦科學研究成果；繪制及應用專業腦功能圖譜；在腦疾病精準醫學領域取得突破；開發能夠占領國際市場的腦科學相關產品與服務等[7]。

1.4 美國

2013年4月，美國啟動“通過推動創新型神經技術開展大腦研究”(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN)計劃[8]，旨在發展新型腦科學研究技術，探索大腦功能和機制等，側重于新型腦研究技術的研發。其發展目標是既要引領科學前沿，又要促進相關產業的發展。該計劃提出了9個優先發展的領域和目標，分別為: (1) 鑒定神經細胞的類型；(2) 繪制大腦結構圖譜；(3) 研發新的大規模神經網絡電活動記錄技術；(4) 研發一套調控神經環路電活動的工具集；(5) 建立神經元電活動與行為的聯系；(6) 整合理論、模型和統計方法；(7) 解析人腦成像技術的基本機制；(8) 建立人腦數據采集的機制；(9) 腦科學知識的傳播與人員培訓[9]。

該計劃是由美國國家機構、學術研究組織、非盈利性基金會以及企業共同推動，各研究主體的重點各有不同[10]。美國國立衛生研究院主要聚焦于大腦回路的結構與功能研究。該計劃已設立“BRAIN 2025重點專項”，前期強調技術研究，后期重點部署成果轉化，預計總募集約49億美元的經費。美國國家科學基金會重點資助腦科學相關研究，包括大腦動態活動及結構的多維度集成、神經技術研究的基礎設施建設、腦功能計量理論及建模、類腦概念及設計研究、腦智發育的研究等。美國民間團體負責配合BRAIN計劃研究，并推動研究成果的轉化。據不完全統計，有4家私營機構、5家企業、11所大學或基金會參與了BRAIN計劃的研究工作，這些團體的投資力度與BRAIN計劃國家撥款持平甚至更高[11]。卡夫利基金會(Kavli Foundation)以資助醫學機構建立聯合研究所，開展新一代神經科學與醫療相結合的技術研發為主，每年募集4000萬美元支持腦科學研究；同時，通過建立統一數據存儲標準以及平等互惠的數據共享平臺，促進腦科學研究最新成果的全球分享。獨立非營利性的Allen腦科學研究所(Allen Institute for Brain Science, AIBS)側重于對大腦皮層的研究，已建立一系列大規模的研究計劃來進行大腦皮層的基礎科學研究，通過對腦的結構、運算和認知進行協同研究以加深對腦的認識。闡明大腦皮質活動與人高級生命活動的關系是AIBS的主要任務[12]。

1.5 澳大利亞

2016年2月，在澳大利亞科學院的支持下，由澳大利亞神經科學學會、澳大利亞心理學會以及神經工程學領域的專家成員共同組建澳大利亞大腦聯盟(Australian Brain Alliance, ABA)，旨在協調和促進本國的大腦戰略性研究，并與全球各國的大腦研究計劃展開合作。ABA的愿景是確保政府部門、資助機構、產業團體、非盈利組織對神經科學研究和基礎設施實行長期支持，建立綜合性大腦研究議程，即澳大利亞大腦計劃(The Australian Brain Initiative, ABI)，實現澳大利亞的神經科學研究優勢。ABI聚焦于神經科學與醫學應用的轉化性研究，主要包括精神衛生研究、神經系統腫瘤研究和腦外傷研究等3個重點方向[13]。

澳大利亞在神經科學轉化研究方面已初見成效，尤其在人工耳蝸設備、癲預警及拮抗裝置、神經回路阻滯式鎮痛裝置及仿生視覺裝置等方面具有明顯優勢。未來5～10年，政府將繼續提供強大的政策支持及資金投入，從基礎醫學研究擴展到神經科學領域的其他轉化研究，預計總投入將達到20億美元。目前，ABA已獲得聯邦政府提供的前期資金1700萬美元，用于建設類似于歐洲HBP計劃的大數據共享平臺。

1.6 加拿大

加拿大腦科學家于2017年發起了腦科學研究戰略(Canadian Brain Research Strategy, CBRS)倡議，致力于改善加拿大神經與精神健康狀況，構建加拿大神經科學創新合作平臺。其具體發展目標包括從突觸、回路到行為的多層次大腦發育與功能機制研究；通過預防與治療處理腦功能失調引起的健康問題；將腦科學研究成果應用于改善個體腦健康、增加教育機會以及提高社會-文化幸福感；通過類腦計算方法建立更加合理的人工智能技術[14]。另外，加拿大腦科學研究有以下3個基本準則: (1) “One Brain”原則: 將復雜的大腦系統及相關疾病作為一個整體來看待，為理解健康人和患者大腦狀況提供支持；(2) “Collaboration”原則: 促進不同學科及組織的協作，鼓勵合作研究和信息共享；(3) “One Community”原則: 強調腦科學研究的資助者、研究人員、臨床醫生、管理人員、患者和護理人員處于同一個利益共同體，具有共同愿景[15]。

過去兩年中，加拿大在神經科學領域進行了巨大投入，總額超過12億美元，包括人工智能研究機構的建立，神經科學開放性研究平臺的建立，兒童腦發育研究和神經系統醫學領域研究等。

2 各國腦計劃的特點分析

各國腦科學計劃的研究方向和組織形式雖各有側重，但大致呈現以下5大特點。

2.1 以開展高強度、大規模、長周期的科技創新協作方式組織實施

美國、歐盟、日本、韓國等技術創新國家不約而同地在2014年左右啟動了為期10年的腦科學計劃。各國腦科學研究都得到政府和基金會等資助團體的支持，以高強度經費投入和大規模科技協作的形式進行組織實施。例如，美國“BRAIN 2025”項目預計每年募集9.5億美元，總計超過49億美元的研究經費[16]；歐盟腦計劃由來自19個國家的118家腦科學研究所組成，規劃總投入10億歐元，是目前涉及國家最多，規模最龐大的腦科學創新協助組織[5]；日本計劃總投入3.6億美元[3]；韓國腦科學研究計劃的戰略投入預計約3億美元等[7]。

2.2 以破解人類腦疾病難題和發展類腦計算為重點方向

各國腦計劃的重點和部署計劃雖各有特色，但主要聚焦于破解人類腦疾病難題和發展類腦計算兩大方向。(1) 探索神經精神疾病的病理生理機制，各國都開展了相關項目進行深入研究。如日本應用狨猴為實驗對象研究人類帕金森病的分子機制，韓國則開展以腦皮質神經網絡為主的腦科學連接組學項目。(2) 基于神經回路、腦功能建模衍生的類腦計算領域，各國均有相應的重點部署。歐盟人類腦計劃以高能計算機為基礎，旨在了解人類大腦功能與意識相關機制，并將其轉化為類腦計算、人工智能等產業化技術[4]。韓國面向2030腦科學創新計劃的重點研究方向包括基于新一代人工智能算法的連接組學分析技術[7]。加拿大魁北克MILA項目、渥太華Vector研究所以及阿爾伯塔項目投入超過3億美元用于人工智能研究機構的建設與研發[14]。

2.3 將腦科學研究數據標準的建立和數據平臺的建設作為促進腦科學創新的關鍵

世界各國都非常強調建立標準化的研究數據，并嘗試通過網絡數據平臺及時分享最新的腦科學研究成果，借鑒國際現有的腦科學數據共享平臺(HBP、INCF、CONP、CCC Network等)的經驗，以數據標準化、數據可利用化為目標，制訂數據共享方案。其中，美國已建立統一的數據存儲標準及平等互惠的數據共享平臺[17]；歐盟最早將數據分享、數據平臺建設作為推進重點[18]；日本Brain/MINDS計劃的數據平臺網站已開放；澳大利亞也在著手建設類似于歐洲HBP計劃的大數據共享平臺[19]。

2.4 關注倫理研究，并強化神經倫理審查在開展腦科學研究中的重要作用

為了解決腦科學與神經技術發展引發的社會倫理爭議及難題，有效規避潛在風險，多個國家在其國家腦計劃中專門設立了與神經倫理相關的研究部門[20]。美國腦計劃在其多部門工作組(NIH BRAIN Initiative Multi-Council Working Group)中專門設立了神經倫理組，就如何解決神經科學研究中的倫理問題提供專家意見和建議[21]。2016年10月，美國腦計劃還發布了一項資助計劃，用于研究神經技術和腦科學進步的倫理影響。日本腦計劃由教育，文化，體育，科學和技術部(MEXT)于2008年成立了神經倫理研究小組，支持人腦功能研究，并幫助公眾參與和理解大腦研究。制訂了關于“人類大腦功能的非侵入性研究”中涉及倫理問題的指南[22]。歐盟腦計劃(HBP)設立“倫理與社會子項目”(Ethics and Society Subproject)，通過提高政策制定者和公眾的參與度，來促進負責任的研究與創新，并致力于提升科學家對于研究中所涉及的社會、哲學和倫理方面的重視[23]。韓國腦計劃將韓國神經倫理委員會作為其組織架構的一部分，負責對腦科學項目的道德審查[24]。

2.5 開展廣泛的國際合作，促進知識共享和成果轉化

隨著腦科學研究的不斷深入，各國越來越重視國際合作對于知識共享和成果轉化的重要作用。(1) 在各國腦計劃中設立國際合作項目，如日本的Japan Brain/MINDS-Beyond計劃等[2]。(2) 在國家之間建立專業合作研發平臺。如美國國家科學基金會(NSF)與加拿大健康研究所(CIHS)、魁北克研究基金(FRQ)、德國研究基金會(DFG)等國際機構合作設立的全球性神經科學研究項目“NeuroNex”(https:∥neuronex.org/，NSF 19-563)。(3) 多國共同發起國際腦科學計劃(IBI)等全球性大規模國際合作組織。IBI組織由歐盟腦計劃信息平臺負責人Jan Bjaalie教授和日本腦計劃項目總監Shigeo Okabe教授擔任戰略委員會共同主席，由澳大利亞腦科學聯盟主席Linda Richards教授和美國卡夫利基金會腦計劃主任Caroline Montojo女士擔任共同發言人。

3 對我國腦科學領域科技創新的啟示

3.1 加大對我國腦科學領域的投入，探討多元合作機制

各國腦科學計劃的組織實施對加速本國腦科學研究，破解腦部疾病難題，推動相關學科進步和經濟社會發展起到了重要作用。在組織實施機制方面，美國等國家建立了以政府投入和基金會等私營機構投入相結合的多元投入模式，充分激發各類創新要素活力，促進技術成果轉化。我國在腦科學領域的技術開發和轉化應用相對薄弱，宜借鑒國際發展經驗，明確發展目標，加大科技投入，整合各類創新資源，加快推進神經科技領域的研究進展。

3.2 加快腦科學數據標準和大數據平臺建設，推動數據共享

加強國家層面的統籌規劃，通過建立腦科學信息資源共享平臺，規范國內腦科學研究體系的數據標準、整合數據資源、挖掘數據的潛在價值、推進資源開放融合共享。借鑒歐美、日韓等國在樣本采集和運轉、數據編碼、數據存儲、數據利用等方面的經驗，研究制定統一的數據管理標準，加強匯交數據的質量控制。促進我國腦科學數據標準規范化，加強信息共享，保護數據隱私，推動腦科學領域快速發展。

3.3 重視神經倫理研究，促進公眾監督與交流

在國家層面，亟需強化神經倫理研究對于本國腦科學領域科技創新的重要支撐作用。一方面，在我國腦科學計劃及相關研究中，強化科學家對神經倫理和社會問題進行審慎的考察和分析。另一方面，針對涉及重大社會影響的新興技術，加強公眾監督，促進公共機構、醫療部門、媒體、商業組織和公眾之間的透明溝通，通過開展跨學科跨文化的公開對話，建立公眾信任，正確引導公眾輿論。

3.4 加強腦科學領域的國際合作，主動融入全球創新網絡

積極參與國際腦科學計劃、國際大腦研究組織相關工作，借助其平臺資源，了解各國腦科學技術發展方向，開展全球腦科學議題討論，將對拓寬我國科學家國際視野，促進我國參與和主導國際規則制定，醞釀腦科學國際合作計劃，提升國際影響力具有重要意義。