人类脑计划：21世纪的重大挑战主要作者：暂无来源：华东科技 2014年第6期文 费明钰 陈骞长期以来，科学家一直尝试绘制人类大脑错综复杂的神经回路图。2013年，欧盟和美国相 继宣布投入大量资金进行人脑研究。本期简报基于上海市软科学研究基地前沿技术发展研究 中心的研究成果，对国际上主要国家和企业的脑科学研究计划及动态进行了梳理分析。供参考。理解大脑的运转机制，是人类与科学面临的最伟大的挑战之一。去年，欧盟和美国相继宣 布投入10亿欧元和38亿美元，加快实施大脑研究计划。曼哈顿计划、阿波罗登月计划和人类 基因组计划曾是划时代的三大科学工程，都给人类社会带来了深远的影响。人类脑计划的推出， 将极大推动神经科学领域研究的发展，被誉为继人类基因组计划之后最宏大的研究项目。把大脑看得更清楚脑计划最新进展情况人类大脑拥有1000亿个神经元和100万亿个神经突触，包含着科学界的巨大奥秘。从目前 进展情况来看，全球对于人脑的研究仅处在发展初期，人类脑计划的目标是利用现代化信息工 具，建立神经信息学数据库和有关神经系统所有数据的全球知识管理系统，绘制出脑功能、结 构和神经网络图谱，从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解。美国：以创新型神经技术加速脑研究美国对人工大脑的研究处于全球领先地位。1996 年，以美国为首的神经信息学工作组建立 参与国包括美国、英国、德国、法国、瑞典、挪威、瑞士、澳大利亚、日本等19个国家，1997 年“人类大脑计划(Human Brain Project)”在美国正式启动。2 0 1 0年，由美国国家卫生研究院(N I H)推出的“人脑连接组计划(Hu ma n Con nec tomeProject, HCP) ”，规划在五年时间里，利用最先进的核磁共振脑成像技术(MRI)对 1200名成人志愿者进行脑部功能成像，获得具有更高时空分辨率的数据，以进一步了解人类脑 部神经环路的连接情况和功能。2013年，美国总统奥巴马宣布启动“创新型神经技术大脑研究(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) ”计划，这项研究计划旨在使研究人员绘制出显示脑细胞和复杂神经回路快速相互作用的脑部动态图像，研究大脑 功能和行为的复杂联系，了解大脑对大量消息记录、处理、应用、存储和检索的过程。美国国家卫生研究院将在2014财年为脑科学研究计划投入约34000万美元，该机构下属的15个研究所和中心将具体参与。国家科学基金会将提供2000万美元，用于开发分子尺度的探 测装置，力争能感知并记录神经网活动，并通过大数据技术增进对大脑思维、情感、记忆等活 动的理解。国防高级研究计划局计划投入5000万美元，着重开发一系列捕捉、处理神经元和染 色体活动状态的工具，建立相应的信息处理系统和修复机制，以期在士兵遭遇应激压力、脑损 伤、记忆损失等问题时协助诊断和治疗。欧洲：启动人脑综合研究工程与美国脑科学研究计划相比，欧洲的“人脑工程”更加侧重于对脑数据的研究，以期更好地实现人工智能。2013年，欧盟委员会宣布将“人脑工程(Human Brain Project)”列入“未来新兴技术旗舰计划”，力图集成多方力量，为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定 基础，加速脑科学研究成果转化，进而提高欧洲的卫生服务、改善公民健康状况、提升产业竞 争地位。一是认识、诊断和治疗脑部疾病，通过发掘医学信息学平台、神经信息学平台和脑模拟平 台的潜力，发现与特定脑部疾病过程对应的生物标记，从而认识和模拟疾病过程，在疾病造成 不可逆的伤害之前做出更早诊断，开发新药和测试新疗法。二是形成综合性的认知原则，通过 使用脑模拟平台和神经机器人平台，系统地剖析控制具体行为的神经回路，模拟各级脑组织中 的基因缺陷、病变和细胞丧失，建立药效模型。三是发展未来计算技术，开发将神经形态计算 装置与常规超级计算技术相结合的综合技术，建立神经形态计算和神经机器人的应用原型。加拿大：突破人脑模拟系统局限人工大脑研究新贵加拿大力求在人脑模拟系统上寻求突破。2012年加拿大滑铁卢大学成功研发出迄今为止世界上最复杂、最大规模的人类大脑模型模 拟系统 Spaun (Semantic Pointer Architecture UnifiedNetwork)。Spaun 的大脑由 250 万个 神经元组成，它分解成一串模拟头盖骨子系统，其中包括前额皮质、基底神经节和丘脑，通过 模拟神经元连接在一起，精确模拟真正的人类大脑线路布局。在 Spaun 系统的每一个模块当中 实际的信息都是通过大量被激活的神经细胞来完成处理。这套系统假定信息会按照神经激活速 度的线性被读取，然后再以非线性的方式将信息转换成神经活动功能，每一个子系统里处理的 信息都会被分配给每一个神经元细胞。Spaun 系统的出现为人工大脑研究设立了新的标杆，其突破在于模拟了人类大脑的局限性。 面对人脑这种高度复杂精妙的研究对象，任何单一的神经网络模型都难以提供有效的模型，需 要在由低到高不同层次的系统水平上构建基于相应脑组织模型的人工神经系统模型，需要由现 有的神经网络模型进行综合集成。新技术为脑计划铺路领先企业动向盘点自2009年金融危机过后，人工大脑市场规模持续增长，2012年相关产业规模约为10亿美 元，2020年有望增长至60亿美元。人工大脑若实现重大突破，首先将给脑部疾病诊疗带来革 命性影响，包括癫痫症、帕金森综合症在内的脑部疾病的药物临床实验阶段有望大大缩短。目前，参与人工大脑研究的主力企业包括信息技术企业，如IBM、谷歌、诺达思，以及新 兴脑机技术企业，如NeuroSky、Emotiv。IBM：通过对人脑的结构、动态、功能和行为进行研究，IBM领导的“认知计算”研究小组 期望打破传统的机器语言编程模式，为神经键和神经元开发出纳米级的设备，从而挑战大脑的 超低能耗和超小体积。IBM在开发过程中引入了一种全新的计算架构和编程范式，能够基于真 实环境中获得的认知和行为能力来解决复杂问题。此外，该计算机还具备学习能力。谷歌：近年来，Google X实验室开发出了模拟人脑并具备自我学习功能的“谷歌虚拟大 脑”。通过模拟人脑中相互连接、相互沟通、相互影响的“神经元”，由1000台计算机、 16000个处理器、10亿个内部节点相连接，形成一个“神经网络”。这种关系的变化使得该系 统形成针对某些特定数据的反应机制，从而让系统具备了学习能力，并且达到识别的效果。NeuroSky：通过干态电极传感器采集大脑产生的生物电信号，将这些采集的信号送入芯片， 然后根据NeuroSky eSense算法解读出描述使用者当前精神状态(专注度、放松度)，最终将 这些量化的参数输出到终端设备，实现基于脑电波的人机交互。目前其生物传感技术在移动终 端、数字化可穿戴设备、教育、健康和汽车行业中都得到应用。诺达思：Noldus开发了行为观察记录分析系统(The Obser ver )等一系列行为学研究软 件，被广泛应用到心理学、神经生物学、行为学的研究工作。Noldus的行为观察记录分析系统 结合心率、脑电图变化数据等进行收集、分析、表达和管理，并对行为过程进行研究。该系统 诞生20多年来，已被全球15000 多个专业用户所使用。解码大脑奥秘人工大脑技术发展趋势尽管各国推进人类脑计划的详细方案尚不明晰， 但可以肯定的是，这项计划将会发展为通过建模对复杂多维的大脑活动的记录，从而在前人从 未达到的研究层面分析这些数据，了解大脑工作机制的基本信息。在宏观与微观间架桥。从目前进展情况来看，全球对于人脑的研究还处在发展的初期，在 研究脑的组织结构方面，单纯依靠采用解剖法、示踪法、染色法等方法已经远远不够。未来研 究将特别关注如何把脑组织结构的宏观层与微观层有机地融合，寻求对于脑组织结构的系统性 把握。今后相当长时期的研究工作将主要集中在以下三个方面：一是进一步探明脑组织的结构； 二是进一步认识大脑各种高级认知功能的脑神经机理；三是进一步理解人类认知能力的心理学 和神经生理学基础。人工神经网络趋向硬件实现。人工神经网络是一种通过模仿动物神经网络行为特征，进行 分布式并行信息处理的算法数学模型，必须将其与各相关学科的人工智能技术有机结合才能形 成强大的综合优势。人工神经网络技术的实现主要有软件实现和硬件实现两类。随着电子技术 的迅速发展和各种相关技术的不断成熟，大部分人工神经网络可采用基于电子技术的硬件实现 方式。神经网络的数字实现将是未来研究热点，该实现方式具有可靠性和精度高、灵活性强、 易于更新和存储权值信息、便于与微机相连从而实现串并行处理等优点。大脑神经网络群体协同研究将受关注。大脑的复杂性，在于神经细胞在形状和功能上的多 样性，以及神经细胞结构和分子组成上的千差万别。迄今为止，人工神经网络的理论研究主要 着眼于对人脑生物神经网络的信息存储和加工处理机制的模拟，对脑的工作原理的模拟一直停 留在细胞水平上，而很少考虑其群体协同工作方式。可行的途径是：在现有细胞层次的基础上， 从不同系统层次模拟脑功能，建立不同系统水平的人工神经系统。这种人工神经系统不是基于 细胞模拟的人工神经网络的规模扩大，而是对不同层次生物神经系统的直接借鉴和模拟。随着 脑科学研究在系统水平上不断突破，这一研究途径将不断从中获得更加深刻的认识和启发。作者就职于上海市科学技术委员会、上海市科学技术情报研究所)