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将一部分大脑,原样放进电脑

时间:2015-10-19 21:39来源:果壳网 作者:鬼谷藏龙 阅读:

意识能不能被上传?在思考这个问题时,无论你想到的是缸中之脑也好,《黑客帝国》或《超能查派》也罢,要实现这样一个伟大的愿望,就必须先有一张“图”。

关于意识的载体——脑的图。要在电脑中重构意识,我们就需要先理解这个由无数神经细胞连接而成的意识载体是如何运作的。可是,人脑是一个恢弘的神经网络,由将近一千亿个神经元以及数量相近的神经胶质细胞彼此连接而成,我们真的可能将它复原到计算机里吗?

至少,来自世界各地的82位研究者在过去10年中做出了尝试。他们取得了前无古人的成果,向构建虚拟大脑的目标迈进了一小步。最近,他们的研究登上了《细胞》的封面。

将一部分大脑,原样放进电脑2015年10月份《细胞》杂志封面。图片来源:www.cell.com

规模空前的神经网络重构

随着论文发表,洛桑瑞士联邦理工学院的亨利·马克拉姆(Henry Markram)教授宣布,人类首次成功用计算机真实模拟了一个含有207种亚型、共计约31000个神经元的大鼠神经网络。

将一部分大脑,原样放进电脑该研究用超级计算机重构的脑切片照片。图片来源:Makram et al. Cell 2015

此前,神经网络模拟领域最前沿的进展,也不过是模拟了果蝇脑神经节的379个神经元,而在哺乳动物领域,这样的探索还几乎是一片空白。一下抛出超过3万神经元的模拟,蓝脑计划的这项成果可谓开创了计算机模拟神经元活动的先河。

他们是怎么做到的?说到底其实很简单,甚至有几分暴力美学的意味:他们把大鼠的大脑取出来,切成许多薄片,检测每一个薄片中的每一个神经元的形态学特征、分子生物学信息和电生理学特性,然后利用这些信息在计算机中逐一重构出这些神经元,再把这几万个虚拟神经元像拼图般按原样拼成神经网络——用堆砌无数人力物力的“体力活”,去研究“脑力活”的中枢。

将一部分大脑,原样放进电脑“蓝脑计划”的工作流程简图。图片来源:Makram et al. Cell 2015

这样的付出是值得的。如果说以前的神经学研究相当于在世界各个角落拍照片,那么这项突破相当于直接在电脑里构建了一个精确无比的北京城模型——从此,至少北京城里的一切,你想怎么看就能怎么看了。利用这个史无前例的神经网络,研究者发现了若干种新的神经学现象。这个模型也使他们得以预测超过2000种突触连接的解剖学和生理学细节,而此前只有大概20种突触连接类型进行过实验测量。

而这项意义重大的成果,既不属于宣布成果的马克拉姆教授本人,也不属于洛桑瑞士联邦理工学院,甚至不属于来自18个机构近百位论文作者中的任何一人或机构。确切地说,它属于“蓝脑计划”(Blue Brain Project)。

“蓝脑计划”是个啥?

自然科学发展到今天这一步,科学界早就不是当年那个个人英雄主义盛行的江湖了。面对新时期新形势,科学研究也不得不发扬起了“人多力量大”的精神——不少时候,政府会出面将一大群最顶尖的头脑集中起来,用集体力量攻关世界上最复杂的问题。

最复杂的问题是什么?大概除了宇宙就是人脑了。在人脑这样精致的存在面前,即便是最有能力的神经学家穷尽一生,也只能窥探其中毫末。即便是自己所研究的脑区几毫米外的另一个脑区,大部分神经学家也会有种“隔行如隔山”的感觉。而由于科研的保密性,诸如同一种神经元在不同的研究中被叫做不同名字,被赋予不同定义的状况也并不少见。

怎么办?把大量神经学家纳入统一标准的框架下,并共享研究数据,就是当今神经科学研究的一条出路。形势所迫,拉大队干大事的序幕拉开了。

将一部分大脑,原样放进电脑蓝脑计划用计算机重建出的脑神经网络。图片来源:Neuro In Silico/ Cell, Oct. 8, 2015 (Vol. 163, Issue 2)

政府主导大型科研项目并非没有先例,人类基因组计划(Human Genome Project)就是最著名也最成功的一项。这项计划拉开了国际大型科研合作的序幕。作为参与国里唯一的发展中国家,当时在生物学界并不出众的中国,也为这项计划承担了1%的测序量。可以说,自人类基因组计划开始,生命科学被带进了一个新纪元。

2005年5月,另一个庞大的科研计划诞生了:洛桑瑞士联邦理工学院牵头召集了十多个来自欧盟的团队,加上少量来自以色列、美国、日本和中国等国的研究团队,共同启动了“蓝脑计划”。他们目标明确,就是要在彻底了解大脑结构与功能的基础上,用计算机完全模拟一个大脑。到2013年,这项计划更进一步,由欧盟政府牵线来自更多国家和地区的科研机构,出资一亿多欧元,将其扩大为“人类脑计划”(Human Brain Project)。

蓝脑的“对手”:美国“脑”计划

然而,政府主导似乎免不了会掺入一些奇怪的东西——这一次,围绕大脑的研究计划仿佛就不再是纯粹的科研活动,而带上了国力比拼的战场气息。

大洋彼岸的美国不甘落后。尽管在此之前小布什政府也推出过诸如“脑十年”(Decade of the Brain)之类的小型计划,但是这一次,他们决定要来一票大的了:2009年7月,美国国家卫生研究院启动“人类连接组计划”(Human Connectome Project)。到2013年4月2日,奥巴马政府更是启动了“利用超前创新神经技术的脑研究计划”(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies),简称“脑”计划(BRAIN Initiative)。政府首轮斥资一亿多美元,几乎集中了全美乃至全学术界最豪华研究阵容。这项野心勃勃的计划号称要“绘制人脑的地图”,分明有着与人类脑计划分庭抗礼的意味。

将一部分大脑,原样放进电脑人类脑计划(左)与“脑”计划(右),各自的前景将会如何呢?图片来源源:21stcentech.com,braininitiative.nih.gov

在这场较量中,美国在人力财力上占据上风,不过欧盟毕竟有先发优势,蓝脑计划十年磨一剑,终于毫不客气地拿下第一滴血——这便有了本文开头的一幕。

远不足够的成果

不过话说回来。模拟3万多个神经元的确很了不起,但是面对拥有几百亿神经元的人脑来说,这仍然不过是沧海一粟。更何况,这项工作基本建立在大鼠的体外大脑切片之上。与活体大脑相比,这样的模型还存在不小的差异。然而,现存的技术还并不能“暴力破解”活体哺乳动物的脑活动——毕竟,你没法把老鼠的大脑切成片的同时,还能确保它们活着。

所以说,尽管蓝脑计划是迈出了很积极的第一步,但是未来的道路并不能一直这样走下去。回想当年的人类基因组计划,若非一代科学怪才克莱格·文特尔(John Craig Venter)开创“鸟枪法”测序技术,面对总量超过30亿碱基的测序任务,当时那一次只能测序几百碱基的技术可能使计划陷入泥潭。

脑计划若要成功,还亟需多创新。或许正是看到了这点,美国“脑”计划的总负责人柯林斯博士(他同时也是人类基因组计划的总负责人之一)几乎将这个时代所有最新生物技术的发明人都纳入到了计划之内,其中包括光遗传技术与透明脑技术发明人之一卡尔·戴塞尔罗斯(Karl Deisseroth),彩虹脑技术的发明人之一约书亚·萨内斯(Joshua Sanes),荧光蛋白技术的发明人之一钱永健(Roger Y. Tsien)等等。

将一部分大脑,原样放进电脑重构大鼠脑切片的过程。图片来源:Neuro In Silico/ Cell, Oct. 8, 2015 (Vol. 163, Issue 2)

明星阵容也困惑

不过,高手云集同样也是把双刃剑。这就像是拍摄一部大牌荟萃的大片,如何安排好各自的戏份,让各个大牌都既服从指挥又充分施展拳脚,也是一桩极为棘手的事务。人类基因组计划的第一任负责人,DNA双螺旋结构发现人之一詹姆斯·沃森(James Watson)就曾因为其糟糕的领导,弄得计划内的科学家团体严重分崩离析,几乎导致计划夭折。而第二任负责人柯林斯虽然让情势有所好转,但也因为其对“鸟枪法”的错误判断,导致计划的最大功臣克莱格·文特尔愤而辞职。尽管此事最后以很诡异的方式促成了人类基因组计划的成功,但也不得不承认这是前车之鉴。

这场硝烟味渐浓的脑计划之战结局将会如何?能否再创人类基因组计划的奇迹?我们是否还可以期待这次的赢家也会像人类基因组计划那样免费公开所有数据和技术?这或许只能交给时间来解答了。而作为后发国家的中国,在这新形式的较量中应该处于一个怎样的位置?这,恐怕才是最值得我们去思考的问题。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Markram, H., Muller, E., Ramaswamy, S., Reimann, M. W., Abdellah, M., Sanchez, C. A., ... & Muoz-Céspedes, A. (2015). Reconstruction and Simulation of Neocortical Microcircuitry.Cell,163(2), 456-492.

文章题图:Neuro In Silico/ Cell, Oct. 8, 2015 (Vol. 163, Issue 2)

(责任编辑:泉水)
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