大國競逐“腦科學” 腦控技術正在走向現實
平安健康網
2016-05-05
大腦的奧祕被視爲“我們身上的最後謎團”。有關腦科學的研究，不僅關乎人類的健康和福祉，也關乎未來的生產力，因而成爲如今各大國競相投入的“兵家必爭之地”。歐美已在這一領域率先“發兵”，將腦研究提升到國家戰略層面。“中國腦計劃”也即將上線，它能駛入“快車道”嗎?
時至今日，大腦仍然是人類認知的“黑洞”
“我們無法忍受人類仍舊對大腦如何工作知之甚少”。20多年前，DNA(脫氧核糖核酸)雙螺旋結構發現者之一弗朗西斯·克里克就如此抱怨。然而時至今日，大腦仍然是人類認知的“黑洞”。
人類大腦大約有1000億個神經元，它們如何連接以及連接錯誤如何導致精神錯亂或是出現嚴重的神經性疾病?至今人類都沒有能弄清楚其中的奧祕。科學家承認，一個多世紀以來對大腦的探索纔剛剛觸及這個巨大科學挑戰的表層。要知道，動物研究的當前最高水平是可同時從約1000個神經元中取樣，但要破解人腦的1000億個神經元所共同包含的巨大奧祕，看起來像“不可能完成的任務”。
鑑於此，腦科學被發達國家視爲科研領域“皇冠上的明珠”。科學界甚至認爲，把研究人腦的神經科學稱爲“人類科學最後的前沿”也毫不爲過。
腦科學研究的本質可用“一體兩翼”概括。一體，即以研究腦認知的神經原理爲主體;兩翼，即研發人腦重大疾病診治的新手段和以人工智能爲導向的類腦研究。
兩翼中，治療人腦疾病是“接地氣”的一翼，也是人類最急迫的需求。帕金森病、阿爾茨海默氏症、抑鬱症、精神分裂症……未來，我們能否釐清這些腦疾病的機理?是否能治癒或者至少延緩腦疾病的發生發展?
而另一翼——人工智能，更令人遐想無限。“阿爾法圍棋”戰勝李世石引來世人矚目，可是要知道，它僅僅是一個單一任務的運算程序，與人腦的能力還有極大差距，如果真正模擬人腦又會怎樣?可以預期的是，腦科學的新發現，將使人工智能發展獲得新的“助推器”。
“中國腦計劃”有望年內正式啓動，實現跨越式發展
“在重要的基礎和應用前沿領域，中國必須佔有一席之地，”中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士蒲慕明說。身處中美兩國學術前沿，他清晰感受到各國政府和學界在腦科學和類腦智能領域的競賽。
從各國已啓動的腦計劃來看：美國側重於研發新型腦研究技術;歐盟主攻以超級計算機技術來模擬腦功能;日本則聚焦以狨猴爲模型研究各種腦功能和腦疾病的機理。
兵貴神速。在歐美“腦計劃”啓動後的兩年間，中國科技部密集舉辦了十餘次專家研討會，達成的基本共識是，我國亟須啓動一項國家級腦計劃。“腦科學和類腦研究”也被列入“十三五”規劃綱要中的國家重大科技創新和工程項目。蒲慕明說，由中國科技部和國家自然基金委牽頭的中國腦科學計劃，有望於今年年內啓動。“在國家的大力支持下，中國的腦科學研究有可能在未來10到20年時間實現跨越式發展，發展速度會超過歐美。”
不過，與歐美相比，中國的神經科學研究還是一個蹣跚學步的孩童。蒲慕明說，中國也只有少數實驗室在神經科學領域具備國際競爭力，研究人員偏年輕化，本領域領軍人物較少，仍需多年積累。“基於現實層面的考量，中國腦計劃的原則是‘有所爲，有所不爲’。並不是所有領域都做，而是充分利用我國數理、信息、材料、工程交叉學科的專長，在我們的優勢領域做到世界領先。”
在蒲慕明看來，中國腦科學研究的先天優勢是靈長類動物種類和數量非常豐富，並擁有腦疾病樣本的豐富資源，在猴類轉基因動物研究和非人靈長類腦疾病模型研究等方面已走在世界前列。
基於“中國腦計劃”佈局，北京和上海均已啓動“腦科學與類腦智能”地區性計劃，開始資助相關研究。中科院於今年初成立包含20個院所80個精英實驗室的腦科學和智能技術卓越創新中心，各高校也紛紛成立類腦智能研究中心。而對於即將出臺的“中國腦計劃”來說，更大的挑戰是能否以革新性的機制來統籌各方資源，使“單兵作戰”轉向“強強聯合”，確保目標最終達成。
“我們希望中國腦計劃的啓動，真正能整合全國的科研力量，在幾個重大的前沿問題能有世界領先的突破。”蒲慕明說，“這需要真正建立跨單位、跨地區、跨學科、強強結合的團隊，打破單位的本位主義，加強科學院與大學院校之間的實質合作。”
美國“腦計劃”已實施三年，取得多項突破
3年前，美國總統奧巴馬雄心勃勃地公佈了一項“推進創新神經技術腦研究計劃”(簡稱“腦計劃”)，旨在探索人類大腦工作機制、繪製腦活動全圖，並最終開發出針對大腦疾病的療法。
白宮不僅對這項計劃寄予厚望，也給予了巨大支持。該計劃的啓動資金逾1億美元，而在未來12年間預計總共將投入45億美元。此外，美國各界也在爲這項計劃提供支持。
美國“腦計劃”的具體事務由多個機構負責，各自研發的側重點也各有不同。美國國家衛生研究院爲“腦計劃”研究的主要機構，該院公佈的研究方向包括開發分析大腦細胞和神經迴路的研究工具，開發新一代人類大腦成像技術，大規模記錄大腦活動和調節控制大腦功能，研究神經迴路功能、開發新一代人腦侵入性裝置，開設多項神經科學短期課程等。此外，美國能源部重點發展新型生物傳感器和監測設備以監測關鍵分子在大腦中的工作過程。美國國防部高級研究項目局則重點研發能夠讀寫單個神經元功能的硬件原型等。美國國家科學基金會將設立“國家大腦觀測站”，協調大規模國際腦研究項目，平衡在神經技術領域的多方投資。美國情報高級研究計劃署則將繼續研究應用神經科學。
過去3年，“腦計劃”研究在多個領域取得進展。比如去年4月，科學家找到了一種通過控制實驗室動物大腦神經迴路、較準確操控其行爲的方式，被美國媒體稱爲該計劃啓動以來第一個重要成就。
美國總統奧巴馬在白宮公佈“腦計劃”。
歐盟及日本等多國紛紛一擲千金參與競逐
在國際上，科學家公認“腦計劃”的意義可與人類基因組計劃相媲美。在此大背景下，各國紛紛一擲千金，相繼出臺腦科研計劃。
早在2013年4月美國政府公佈“腦計劃”之前，歐盟就已率先宣佈，“人腦工程”(HBP)爲歐盟未來10年的“新興旗艦技術項目”。該項目旨在通過信息和計算機技術，尤其是通過計算機模擬技術更好地理解人腦。爲此歐盟設立了專項研發計劃，將在未來10年內爲其提供10億歐元的經費。此後，雖然經歷一波三折，“人腦工程”還是於去年10月底獲得了歐盟委員會的認可，可以獲得至少延續至2019年的經費支持。與此相關的協議還啓動了一項改變該項目法人地位的程序，從而可以把責任分攤給很多不同的參與機構。
此外，德國、英國、瑞士等也不甘落後，也已各自推出了本國的神經科學研究計劃。
緊隨歐美，日本也已於2014年正式制定了“腦科學時代”計劃，主要研究精神病和神經性疾病的診斷治療方法。該計劃由理化學研究所主導，試圖從狨猴大腦入手，來加快人類大腦研究。
據悉，近日來自多國的60多名神經科學家齊聚美國約翰斯·霍普金斯大學，討論開展全球合作，力圖推動“國際大腦空間站”的建設。今年10月專家們還將在聯合國舉行國際腦科學大會。
“腦控”技術正在走向現實
延伸閱讀
隨着對大腦研究的深入，已經有越來越多的“腦控技術”，讓原本只出現在科幻片裏的場景有望成爲現實。
開車用“腦”不用動手腳
不用手握方向盤，不用腳踩油門、剎車，只要用“腦”想一想，就能開汽車?沒錯。南開大學計算機與控制工程學院副教授段峯研究團隊2015年7月進行了一場“腦控汽車”實驗。實驗員頭戴裝有16個採集點的腦電信號採集設備，通過腦電信號對一輛裝有計算機處理系統、車載電控單元等裝置的汽車“發號施令”，汽車在人腦的操控下能夠準確執行啓動、直線前進、直線倒車、剎車、車門上鎖或解鎖等規定指令。
“腦控汽車”顛覆了手腳並用的駕車方式，可以利用人腦進行汽車操控並低速行駛，在國內首次實現人腦驅車及腦電信號與汽車系統的“連接”。不過，要它投產使用還需要時間。
讓電視隨人意念換臺
英國廣播公司與倫敦的TP技術公司合作，正在開發測試一種能讀取腦波的頭戴設備，讓人們能用意念調換電視節目，以代替手動遙控器。實驗中，10名BBC工作人員戴着“腦控器”嘗試啓動iPlayer，並開始觀看節目。該設備能把他們腦灰質中的電活動轉化爲對換臺的命令。這一技術目前還處在早期階段。
用意念遠程操控機器人
由喬斯·德爾·米蘭領導的研究團隊，一直致力於開啓一場大腦——機器連接方法的革命，以期恢復殘疾人士的獨立意識，因此，從家中用意念遠程操控機器人的想法應運而生。日前，分別位於意大利、德國和瑞士的9名殘疾人士和10名健康人士參與到一場用意念遙控機器人的測試中。每個受試者戴上佈滿電極、能夠分析大腦信號的帽子，然後在家中通過互聯網傳遞實時指令，進而讓機器人移動。測試結果顯示，健康人和殘疾人的操控能力並無明顯差異。這項研究爲歐洲腦機交互工具項目帶來了積極影響。
刷腦電波代替密碼
美國賓厄姆頓大學等機構的研究人員正在嘗試用“刷腦電波”的方法來代替密碼。試驗顯示，其準確率已達94%，說明這一方法有實用潛力。
研究發現，即便是讀同一個詞，每個人的腦電波特徵都不一樣。因此，刷腦電波代替密碼有一個明顯的好處，就是盜刷難度非常大。指紋、虹膜現在都能僞造，而依靠腦電波進行識別，如本人不配合的話怎麼都沒法盜刷。
當然，鑑於目前讀取腦電波的設備還較複雜，這項技術暫時還難以用到日常生活中。