新浪微博
来源： 发布时间：2013-12-25
人脑研究是21世纪最重大的科学挑战之一，受到大西洋两岸欧美国家的重视。在近300名欧洲跨学科专家的共同努力下，欧盟委员会于2013年1月底将人脑项目选定为未来新兴技术旗舰项目之一。欧盟人脑项目计划10年耗资10亿欧元，力图对神经科学、医学和计算机技术的发展产生重大意义。
一、人脑研究的机遇与挑战
认识人脑是21世纪科学界面临的最重大的挑战之一。欧盟人脑项目组在预研报告中认为，如果勇于应对该挑战，就能从根本上了解人脑的本质，开发脑部疾病的新疗法，并发展具有革命意义的新型信息通讯技术。医学研究已经发现了超过500种脑部疾病，包括从偏头痛到抑郁症和老年痴呆症。据一项权威研究估计，2010年，超过三分之一的欧洲人口直接受到至少一种脑部疾病的影响，这对欧洲经济产生的成本接近8000亿欧元。
目前，脑研究的主要障碍是脑研究及其数据的零散性。现代神经科学研究虽然成就斐然，却缺乏系统性，其产生的数据在不同发展阶段、不同层次上描述了不同物种的不同脑部区域中的脑组织。现今迫切需要整合这些数据，形成一个统一的多层次系统。
二十年来，信息通讯技术与生物学的融合程度已经足以使这一理想变为现实。新的测序和成像技术以及显微镜技术的应用使我们对脑的观测能力发生了革命性飞跃。云技术和互联网技术使我们可以集成世界范围内的研究团队和临床医疗机构所产出的数据。神经信息学则提供了新的方法，以分析这些数据，创建和共享细致的脑图谱，确定知识空白区，并预测目前仍缺少实验数据的参数值。超级计算机使我们有可能从生物学角度以前所未有的详细水平建立脑模型，并进行模拟。这些技术能够极大地加速人脑研究进程，并为防治脑部疾病的新疗法，以及可能带来产业、经济和社会变革的新型计算技术开辟新的道路。
二、欧盟人脑项目的四大研究目标
欧盟人脑项目组在预研报告中提出，基于信息通讯技术的脑科学研究必须成为欧洲的一个战略研究领域，该项目将为这种新型脑研究模式奠定技术基础，推动不同学科间数据和知识的融合，促进各群体为实现对脑部的新认识，开发脑部疾病新疗法，并发展模拟人脑的新型计算技术而共同努力。欧盟人脑项目提出了四大目标，即数据、理论研究、信息通讯技术平台和应用。
1. 数据
现代神经科学研究已产生了海量实验数据，正在进行的一些大型研究计划将使新的发现不断涌现，但要构建多层次的人脑图谱并统一人脑模型，仍缺乏大量知识。因而，欧盟人脑项目的首要目标是产生和解释那些从战略角度经过选择的、从其他来源不太可能获得的数据。欧盟人脑项目在预研阶段已经确定了三大着眼点：一是多层次的鼠脑结构，为人脑图谱和模型的开发提供重要信息，因为许多的鼠脑研究成果适用于所有哺乳动物。二是多层次的人脑结构，以产生从战略角度经过筛选的人脑数据，并与鼠脑数据进行对比，找出差异。三是脑功能和神经元结构。
2. 理论研究
没有扎实的理论基础，就不可能解决神经科学数据和研究过于零散的难题。因此，欧盟人脑项目提出，应包括一项针对理论研究的协同计划，重点关注脑组织的不同层次关系中所蕴含的数学原理，以及人脑获取、再现和存储信息的方式。
3. 信息通讯技术平台
欧盟人脑项目的第三个目标是创建一个信息通讯技术平台集成系统，使之能够开启基于信息通讯技术的新型脑研究。欧盟人脑项目组提出，应建设六个平台：
（1）神经信息学平台。为神经科学家提供技术能力，使其能够更容易地分析脑的结构和功能数据，构建多层次的脑图谱。这将为研究人员提供新的途径，以填补目前阻碍对人脑实现整体认识的数据和知识空白。
（2）脑模拟平台。大型脑模拟平台在整个人脑项目中将发挥核心作用，它为研究人员提供建模工具和模拟器，使研究人员能够整合鼠脑和人脑多尺度模型中的大量异质数据，并模拟鼠脑和人脑的活动。
（3）高性能计算平台。为欧盟人脑项目和研究团体提供大脑建模和模拟所需的计算能力，平台需包括最新、最强的超级计算技术（达到百亿亿次级的运算水平）和全新的交互式计算和可视化功能。
（4）医学信息学平台。该平台在有效保护病人资料的同时，汇集医疗档案和专有数据库中的临床数据，使研究人员能够识别特定疾病过程的生物标记。研究人员一旦掌握检测疾病和对疾病分类的生物学方法，就能够了解病因并制定有效的治疗方法。
（5）神经形态计算平台。为研究人员和应用开发人员提供硬件和设计工具，使他们能够以人脑结构和原型应用为蓝本，开发全新的紧凑型、低能耗装置和接近人脑智能的系统。
（6）神经机器人平台。为研究人员提供工具，使其能够在模拟环境中将复杂的人脑模型与机器人相连接，并将机器人可以学会的行为与人体和动物实验结果进行比较。
4. 应用
欧盟人脑项目的第四个主要目标是展示其建立的平台对神经科学基础研究、临床研究和技术开发的价值，引发项目之外的研究群体掀起研究热潮。其应用将主要体现在以下三个方面：
（1）综合性的认知原则。研究人员在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、病变和细胞消亡，并建立药效模型的项目中，应使用脑模拟平台和神经机器人平台。其最终目标是建立模型，模拟人类区别于其他动物而独有的能力（特别是语言能力），这样的模型将代表人类认识所取得的根本性进步，并将可以直接应用于医学和其他技术。
（2）认识、诊断和治疗脑部疾病。研究将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，以发现与特定疾病过程对应的生物标记，从而认识和模拟疾病过程，预防和治疗疾病。新的诊断工具将可能在疾病造成不可逆的伤害之前做出更早诊断，并根据具体病人的需要开发新药，测试新疗法，即“个性化医疗”。这项研究还能降低代价高昂的后期试验失败率，减少新药开发成本。目前每种新药的开发成本约为10亿欧元。
（3）未来计算技术。人脑项目搭建的高性能计算平台将使研究人员能够开发出将神经形态装置与常规超级计算技术相结合的综合技术。借助神经计算技术平台和神经机器人平台，研究人员将能建立拥有巨大潜在市场的应用原型，其中将包括用于家庭、制造业和服务业的机器人，以及用于汽车、家用电器、制造业、图像和视频加工以及通讯技术领域的数据挖掘和控制器这类“无形的”但同样重要的技术。
三、欧盟人脑项目可能带来的重要影响
欧盟人脑项目认为，它将极大地加快进程，实现对脑结构和脑功能的多层次认识，提高脑部疾病的认识、诊断和治疗水平，发展脑科学启示下的新型信息通讯技术，将对欧洲科学、产业、经济和社会具有巨大的潜在影响。
第一，人脑项目的数据和信息通讯技术平台将有助于解决神经科学研究零散的难题，为形成对脑结构和脑功能之间关系的全新认识开辟道路。该项目希望使研究人员有能力应对现代神经科学面临的一些最重大的挑战，包括学习和记忆力、神经编码的本质、甚至是知觉和意识的神经元作用机制等。
第二，将对医学产生重大影响，加快研制更好的诊断工具，确定更好的治疗方案。由于脑部疾病造成巨额费用，因此即使是小的改进，如更早期诊断、延缓神经退化性疾病中认知能力下降的疗法等，也将带来巨大的经济和社会效益。脑部疾病新药具有庞大的潜在市场规模。新药研发成本的降低和成功率的提高将为制药业带来重大好处。
第三，将脑研究与信息通讯技术相结合，将有助于确定计算技术的未来发展方向。在超级计算技术领域，欧盟人脑项目希望，由其开发的新型交互技术、可视化技术、多尺度模拟技术和云计算技术将推动为产业界和消费者提供新的服务，并促进形成良性循环，使超级计算机能够为更广泛的学术和产业部门服务。
第四，将为紧凑型、低能耗系统的开发开辟道路。这种系统基于神经形态计算和神经机器人的研究，从长远来看，具有实现模仿人脑智能的潜能。欧盟人脑项目认为，这些技术的潜在应用范围和战略意义与过去五十年间驱动欧洲发展的传统计算技术不相上下，而该项目将引领这些技术的发展，并为确保欧洲的全球经济竞争力发挥关键作用。
（作者：刘润生，中国科学技术信息研究所助理研究员，科技参考研究室负责人，主要从事科技战略与政策研究。
张丽娟，中国科学技术信息研究所,研究实习员，主要研究方向为科技政策与管理。）
一、人脑研究的机遇与挑战
认识人脑是21世纪科学界面临的最重大的挑战之一。欧盟人脑项目组在预研报告中认为，如果勇于应对该挑战，就能从根本上了解人脑的本质，开发脑部疾病的新疗法，并发展具有革命意义的新型信息通讯技术。医学研究已经发现了超过500种脑部疾病，包括从偏头痛到抑郁症和老年痴呆症。据一项权威研究估计，2010年，超过三分之一的欧洲人口直接受到至少一种脑部疾病的影响，这对欧洲经济产生的成本接近8000亿欧元。
目前，脑研究的主要障碍是脑研究及其数据的零散性。现代神经科学研究虽然成就斐然，却缺乏系统性，其产生的数据在不同发展阶段、不同层次上描述了不同物种的不同脑部区域中的脑组织。现今迫切需要整合这些数据，形成一个统一的多层次系统。
二十年来，信息通讯技术与生物学的融合程度已经足以使这一理想变为现实。新的测序和成像技术以及显微镜技术的应用使我们对脑的观测能力发生了革命性飞跃。云技术和互联网技术使我们可以集成世界范围内的研究团队和临床医疗机构所产出的数据。神经信息学则提供了新的方法，以分析这些数据，创建和共享细致的脑图谱，确定知识空白区，并预测目前仍缺少实验数据的参数值。超级计算机使我们有可能从生物学角度以前所未有的详细水平建立脑模型，并进行模拟。这些技术能够极大地加速人脑研究进程，并为防治脑部疾病的新疗法，以及可能带来产业、经济和社会变革的新型计算技术开辟新的道路。
二、欧盟人脑项目的四大研究目标
欧盟人脑项目组在预研报告中提出，基于信息通讯技术的脑科学研究必须成为欧洲的一个战略研究领域，该项目将为这种新型脑研究模式奠定技术基础，推动不同学科间数据和知识的融合，促进各群体为实现对脑部的新认识，开发脑部疾病新疗法，并发展模拟人脑的新型计算技术而共同努力。欧盟人脑项目提出了四大目标，即数据、理论研究、信息通讯技术平台和应用。
1. 数据
现代神经科学研究已产生了海量实验数据，正在进行的一些大型研究计划将使新的发现不断涌现，但要构建多层次的人脑图谱并统一人脑模型，仍缺乏大量知识。因而，欧盟人脑项目的首要目标是产生和解释那些从战略角度经过选择的、从其他来源不太可能获得的数据。欧盟人脑项目在预研阶段已经确定了三大着眼点：一是多层次的鼠脑结构，为人脑图谱和模型的开发提供重要信息，因为许多的鼠脑研究成果适用于所有哺乳动物。二是多层次的人脑结构，以产生从战略角度经过筛选的人脑数据，并与鼠脑数据进行对比，找出差异。三是脑功能和神经元结构。
2. 理论研究
没有扎实的理论基础，就不可能解决神经科学数据和研究过于零散的难题。因此，欧盟人脑项目提出，应包括一项针对理论研究的协同计划，重点关注脑组织的不同层次关系中所蕴含的数学原理，以及人脑获取、再现和存储信息的方式。
3. 信息通讯技术平台
欧盟人脑项目的第三个目标是创建一个信息通讯技术平台集成系统，使之能够开启基于信息通讯技术的新型脑研究。欧盟人脑项目组提出，应建设六个平台：
（1）神经信息学平台。为神经科学家提供技术能力，使其能够更容易地分析脑的结构和功能数据，构建多层次的脑图谱。这将为研究人员提供新的途径，以填补目前阻碍对人脑实现整体认识的数据和知识空白。
（2）脑模拟平台。大型脑模拟平台在整个人脑项目中将发挥核心作用，它为研究人员提供建模工具和模拟器，使研究人员能够整合鼠脑和人脑多尺度模型中的大量异质数据，并模拟鼠脑和人脑的活动。
（3）高性能计算平台。为欧盟人脑项目和研究团体提供大脑建模和模拟所需的计算能力，平台需包括最新、最强的超级计算技术（达到百亿亿次级的运算水平）和全新的交互式计算和可视化功能。
（4）医学信息学平台。该平台在有效保护病人资料的同时，汇集医疗档案和专有数据库中的临床数据，使研究人员能够识别特定疾病过程的生物标记。研究人员一旦掌握检测疾病和对疾病分类的生物学方法，就能够了解病因并制定有效的治疗方法。
（5）神经形态计算平台。为研究人员和应用开发人员提供硬件和设计工具，使他们能够以人脑结构和原型应用为蓝本，开发全新的紧凑型、低能耗装置和接近人脑智能的系统。
（6）神经机器人平台。为研究人员提供工具，使其能够在模拟环境中将复杂的人脑模型与机器人相连接，并将机器人可以学会的行为与人体和动物实验结果进行比较。
4. 应用
欧盟人脑项目的第四个主要目标是展示其建立的平台对神经科学基础研究、临床研究和技术开发的价值，引发项目之外的研究群体掀起研究热潮。其应用将主要体现在以下三个方面：
（1）综合性的认知原则。研究人员在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、病变和细胞消亡，并建立药效模型的项目中，应使用脑模拟平台和神经机器人平台。其最终目标是建立模型，模拟人类区别于其他动物而独有的能力（特别是语言能力），这样的模型将代表人类认识所取得的根本性进步，并将可以直接应用于医学和其他技术。
（2）认识、诊断和治疗脑部疾病。研究将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，以发现与特定疾病过程对应的生物标记，从而认识和模拟疾病过程，预防和治疗疾病。新的诊断工具将可能在疾病造成不可逆的伤害之前做出更早诊断，并根据具体病人的需要开发新药，测试新疗法，即“个性化医疗”。这项研究还能降低代价高昂的后期试验失败率，减少新药开发成本。目前每种新药的开发成本约为10亿欧元。
（3）未来计算技术。人脑项目搭建的高性能计算平台将使研究人员能够开发出将神经形态装置与常规超级计算技术相结合的综合技术。借助神经计算技术平台和神经机器人平台，研究人员将能建立拥有巨大潜在市场的应用原型，其中将包括用于家庭、制造业和服务业的机器人，以及用于汽车、家用电器、制造业、图像和视频加工以及通讯技术领域的数据挖掘和控制器这类“无形的”但同样重要的技术。
三、欧盟人脑项目可能带来的重要影响
欧盟人脑项目认为，它将极大地加快进程，实现对脑结构和脑功能的多层次认识，提高脑部疾病的认识、诊断和治疗水平，发展脑科学启示下的新型信息通讯技术，将对欧洲科学、产业、经济和社会具有巨大的潜在影响。
第一，人脑项目的数据和信息通讯技术平台将有助于解决神经科学研究零散的难题，为形成对脑结构和脑功能之间关系的全新认识开辟道路。该项目希望使研究人员有能力应对现代神经科学面临的一些最重大的挑战，包括学习和记忆力、神经编码的本质、甚至是知觉和意识的神经元作用机制等。
第二，将对医学产生重大影响，加快研制更好的诊断工具，确定更好的治疗方案。由于脑部疾病造成巨额费用，因此即使是小的改进，如更早期诊断、延缓神经退化性疾病中认知能力下降的疗法等，也将带来巨大的经济和社会效益。脑部疾病新药具有庞大的潜在市场规模。新药研发成本的降低和成功率的提高将为制药业带来重大好处。
第三，将脑研究与信息通讯技术相结合，将有助于确定计算技术的未来发展方向。在超级计算技术领域，欧盟人脑项目希望，由其开发的新型交互技术、可视化技术、多尺度模拟技术和云计算技术将推动为产业界和消费者提供新的服务，并促进形成良性循环，使超级计算机能够为更广泛的学术和产业部门服务。
第四，将为紧凑型、低能耗系统的开发开辟道路。这种系统基于神经形态计算和神经机器人的研究，从长远来看，具有实现模仿人脑智能的潜能。欧盟人脑项目认为，这些技术的潜在应用范围和战略意义与过去五十年间驱动欧洲发展的传统计算技术不相上下，而该项目将引领这些技术的发展，并为确保欧洲的全球经济竞争力发挥关键作用。
（作者：刘润生，中国科学技术信息研究所助理研究员，科技参考研究室负责人，主要从事科技战略与政策研究。
张丽娟，中国科学技术信息研究所,研究实习员，主要研究方向为科技政策与管理。）
分享到：
