瑞士神经科学家亨利·马克拉姆的“人脑计划”正努力争取10亿欧元的基金来使用计算机模拟人类大脑。一些怀疑者们则认为他根本做不到。
亨利·马克拉姆
这并非亨利·马克拉姆（Henry Markram）想看到的最终审判。但一些神经系统科学家们表示怀疑的声音连珠炮般不绝于耳。一个声音高叫着：“这简直就是无稽之谈。”这一天对亨利来说，如同走上了与人对簿公堂的法庭。
瑞士科学院1月20日在首都伯尔尼的会议对神经科学领域内大型计算机建模做了概述。私下里，这是神经科学家们第一次有机会了解马克拉姆备受争议的关于人脑计划（HBP）提案。该项人脑计划旨在建立一个超级计算机模拟，涵盖人们目前对人脑所有的了解，从神经细胞膜里的离子通道结构到人类有意识的决策机制。
马克拉姆这位出生于南非的大脑电生理学家，10年前加入洛桑联邦理工学院，不久他或将实现自己的伟大设想。他的人脑计划目前作为6个候选者之一，在最后竞争欧盟启动的两个10年旗舰计划的名额，胜者将赢得10亿欧元（折合13亿美元）的研究经费。
伯尔尼会议上，马克拉姆在解释项目的概念时说：“脑研究人员每年发表6万篇文章。这些文章都是非常漂亮、美妙的研究，但是基本上都集中在某一个小的角落――这个分子，那个大脑部位，这种功能，那个脑图。”他表示，他主持的人脑计划能整合所有这些不同角度的发现，并且创造出一些模型来探索脑电路的组织方式、脑电路如何产生人类行为和认知，这是目前神经科学领域最深隽的奥秘。马克拉姆表示，人脑计划可以帮助研究人员找到治疗一些疾病的途径，如阿尔茨海默氏症。“如果我们没有一个整体的视角，就无法理解认识这些疾病。”
然而，人们在会上的反应很明显，对于马克拉姆的观点仍然有很多人表示不解。一些神经科学家们认为他的想法构思拙劣，特别是马克拉姆研究大脑模拟的特殊方式让他们觉得奇异荒诞。他们认为该项人脑计划是在大肆炒作，铺天盖地的媒体都在报道它可能会带来的成果。而且，他们觉得就算是此计划有新的理论支撑，马克拉姆也未必能完成。
德国苏黎世大学和瑞士联邦理工学院联合倡议成立的神经信息学研究所主任罗德尼·道格拉斯（Rodney Douglas）表示：“我们需要聆听在神经科学方面不同的声音。”谈到人们对大脑了解的程度之低，他说：“我们需要更多的人有更多不同的观点。”但如果少得可怜的神经科学研究经费都转向单一研究的话，这样对观点多样化还是不利的。
但马克拉姆并没有望而却步。他认为，目前神经科学家们对于如何对大脑有完整深入的理解一筹莫展。他说：“因此，才有我们的这个计划，建立统一的大脑模型。”
宏大设计
至少从1980年开始，马克拉姆就一直在探索某种统一，当时他正在南非的开普敦大学读本科。他放弃了第一个专业：精神病学，因为他觉得这个专业主要是把人放在诊断台上，根据不同的情况给他们用药而已。他回忆说：“这个专业不可能告诉我们人脑的结构和功能。”
马克拉姆另一个方向的研究将他带入了道格拉斯的实验室，道格拉斯那时是开普敦大学一位年轻的神经科学家。马克拉姆被迷住了，“我当时说：‘就是它了。从此以后我就要深入研究人脑，弄清楚它的运作，揭开大脑的细微秘密，一定要弄个水落石出。’”
研究热情促使马克拉姆在以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所读了博士，在马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院和德国海德堡的马克斯·普朗克医学研究所完成了博士后工作。1995年，他留职于魏茨曼科学研究所。在研究所的实验工作中，他证明了电生理学中的放电反应时间依赖可塑性（STDP），在这个生物过程中，神经连接的强度根据脉搏的起伏发生相应的变化，从此赢得声誉，名声大震。
到20世纪90年代中期，他已经不再满足于个人的小发现，“我意识到，在接下来的25年，甚至30年，我能在自己的领域里就这样做下去，但这还不足以帮我去理解大脑的结构和功能。”
按他推断，要想有突破，神经科学家们还需要有系统地将各自的发现汇聚起来，集思广益。至少每一个实验都可以至少涉及到一种模型，不管是离子通道的分子结构，还是皮质回路的动力学。马克拉姆明白，有了计算机，就能够将所有那些模型编码，然后再把它们联合起来。这有利于研究者们发现他们知识结构中的差距和相互矛盾之处，再来确认如何实验能够解决问题。
马克拉姆的思路并非原创：自20世纪早期，科学家们一直在设计神经活动的数学模型；50年代后开始使用计算机来完成相关工作。但马克拉姆的野心太大了。他要做的，不是给一个神经元建模，那只是硕大神经网络中的一个点状物，马克拉姆想要做的是将这些网络中所有的点全部串联起来统一建模，完成他们无数的离子通道（见“建脑”）。而且，他也不是只给相关嗅觉的神经回路建模，他想给整个大脑建模。用他的话说，就是“从基因的层面、分子的层面、神经元还有染色体，微电路形成原理、大回路、中回路、脑部区域，直到我们弄明白如何将这些层面结合起来，弄清楚大脑如何控制行为和认知。”
要研究关于大脑的一个完全统一的理论所需的计算机估计要执行每秒1018次运算，这在上世纪90年代就是天方夜谭。但马克拉姆知难而上：大约每18个月将计算机的运算能力翻倍，这意味着到2020年就会出现百万兆级计算机。同时，他还认为，神经科学家们应该为此做好准备。
马克拉姆的想法和帕特里克·埃比舍（Patrick Aebischer）的想法不谋而合，后者2000年担任洛桑联邦理工学院的校长，神经科学家，他想让学院成为一个在计算和生物医药研究领域的发电站。2002年，马克拉姆成为校长第一批招募来的精英中的一员，“亨利说服我们买了一台蓝色基因（计算机）。”埃比舍说的是当时最新的用于大型模拟的IBM超级计算机。2005年，洛桑联邦理工学院安装了一台，马克拉姆因此可以启动蓝脑计划――他在综合神经科学领域的第一个实验，现在想来，也是人脑计划的一个雏形。
马克拉姆告诉人们，计划的一部分是说明一个一体的模型可能意味着什么。他从老鼠的大脑皮层搜集数据入手，这项工作自20世纪90年代开始，他和他的学生们就一直在做。据他介绍，还包括从不同的实验室大约两万次实验中获得的结果，“资料包括我们已经知道的所有细胞类型，形态学、三维重组、电性质、神经突触沟通，神经元的突触位置、神经元突触的行为方式、甚至还有有关基因表现的基因数据。”
到2005年底，马克拉姆的团队将资料的相关部分整合形成单一神经元模型。2008年，研究人员已经完成了大约1万个这样的模型，组成管状皮质模型，被称为皮层柱。目前，利用一个更加先进的蓝色基因计算机版本，他们已经模拟出100个互联的单元。
马克拉姆说，之前所做的努力已经有了一些发现，比如到目前为止尚未公开的一个皮层柱中突触的数据分布。但真正的突破是证明了如事先承诺的那样，统一模型可以用于保存有关皮层结构和功能的数据。事实上，团队的大多数努力用于创建“基础架构和软件的大型生态系统”，这样可以让蓝脑对所有的神经科学家有用。该系统包括将数据自动转换成模拟的工具，以及信息学工具，如用户可编辑的网站：http://channelpedia.net，可以自动整理从PubMed数据库论文里关于离子通道的结构数据，目前已经收集了约18万份论文摘要。
马克拉姆说，最终的目标是要整合整个大脑的数据。接近这个目标的机会终于在2009年12月来临，当时欧盟宣布准备开发两个高风险旗舰项目，在这两个有可能会是颠覆性的项目上分别投入大约10亿欧元。马克拉姆当时是27位成员组成的该项目顾问团的成员，他不失时机地完成了自己的申请。2011年5月，人脑计划被批准成为可以获得创业基金的6名候选人之一，并将于2012年5月提交完整的计划提案。
如果人脑计划入选，其核心目标之一就是要统一协作、互联网络、面向全球研究者开放。马克拉姆还介绍说这个项目组已经吸收了22个国家的约150名主要研究人员和70家研究机构。他说：“将会有很多研究精英齐心协力，共建大脑。”他们每个人都将带着爱因斯坦式的智慧走到一起。
自下而上
在伯尔尼会议上，人脑计划被描述成开放式的用户工具，引起与会人员的兴趣和热情。但更多的声音来自反对方，他们反对的焦点在于蓝脑模型的认知缺陷，以及马克拉姆数据整合的方式。
马克拉姆的研究方法核心是他确信，一个优秀的统一模型要吸收自下而上的数据。在他看来，建模器要从最基础的层面开始，他着力于离子通道，因为它们能够确定一个神经元开始反应的时间，并在进入下一个层面之前保证一切运作顺利。这让很多人猜测不已，但马克拉姆认为人们对大脑认识的较大差距可以通过已经发表的实验数据来填补：蓝脑模型每周更新升级一次。另一种方法，粗略估计并抽象出生物学细节，没法确定模型的行为与大脑的功能有关。
这是让很多其他计算神经科学家们咬牙切齿的地方。他们中大多数人已经使用简单的神经元模型用于探索高阶层的功能，如模式识别。马克拉姆自下而上的研究方式的风险在于只见树木不见森林，这是伯尔尼会议上很多人的共识：他的模型太具体，没法理解真正的大脑。前提条件还有马克拉姆要真能做出来。批评者们认为，根据蓝脑计划在过去6年里的成果来看，这个项目可能无果而终。神经信息学研究所主任凯文·马丁（Kevan Martin）在一封邮件里提到，模拟老鼠脑皮层的微小片段并没有从感觉器官的输入，或者大脑其他部分的输出，而且几乎无法产生有意思的行为。他说，马克拉姆模拟的皮层单元要在一个动物身上起作用，真的“不是那么回事”。
伯尔尼会议上，马克拉姆对此类批评的反应是，蓝脑模拟中还需要增加更多的容量。但马丁对此仍然无动于衷。他在邮件中写道：“这个层面的研究细节，即使亨利投入了相当的努力，仍然很不完整，我想象不了在接下来的十年里，如何从啮齿动物大脑的少量区域获得更多细节，更不要说果蝇、斑马鱼、鸣禽、老鼠或者猴子的大脑。”
如果人脑计划没有实现，没有获得大笔资金的话，马丁接着说：“当然，所有这些都不会在教授们的茶杯里掀起什么惊涛骇浪。”很难想象因人脑计划而资源匮乏的神经科学研究的其他领域，尤其是在瑞士，作为东道国，还要提供足够的、尽管目前仍不明确的资金投入。道格拉斯问道：欧洲一定要花费10亿欧元用于支持一个人的热情吗？但他也承认，有些高瞻远瞩的想法需要推动才能进步，“但万一他们是一时激情的错误呢？”
同时，还有很多人表现出担心，甚至激怒，因为马克拉姆通过新闻媒体报道他的研究，而不是通过发表论文、学术会议或者其他科学界的渠道。记者们报道的大多是：马克拉姆高大、有魅力，表达观点清晰明了，引经据典，是已故科学家卡尔·萨根的南非版人物。神经信息学研究所的计算神经科学家理查德·哈纳鲁瑟（Richard Hahnloser）说，他有着“一种催眠效应”。但批评者们认为，这会带来太多的新闻报道，留给人们的印象是人脑计划将根除用动物做实验。
另一位神经信息学研究所的研究者认为，一旦事先的预计没有实现，“整个神经科学领域将会从现在开始的10年里陷入困境。”他担心政界的人会出来说，“但是你承诺过。”
研究进展
在伯尔尼，马克拉姆对于人们指责他故意炒作很恼火。在回答一位提问者时，他反击：“我从来没有说过人脑计划要取代动物实验。我说的是模拟可以帮你选择最佳的实验方式。”
马克拉姆同时也竭力强调他的观点，人脑计划将对其他建模方式开放。会后他接受《自然》杂志采访时说：“这种担心毫无根据，因为他们还没有用心去弄清楚提出的是什么观点。”最终研究出来的工具将允许任何人在生物领域的某些层面用他们自己的数据来建模。
马克拉姆似乎在拉拢对他的支持。去年，同时监管苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院的董事会，在经过四人专家组严格审核后决定签署蓝脑计划，尽管专家组中有两名成员对马克拉姆的研究方法一直公开表示怀疑。董事会请求瑞士议会2013年向该计划支付7500万瑞士法郎（合8100万美元），比蓝脑计划目前的预算高十几倍。议会或将在近期作出最后决定。
马克拉姆态度乐观，他认为欧盟也将会有关于人脑计划的相同结论。但是，如果这个计划没有得到授权，马克拉姆表示“只能继续做蓝脑计划”，尽管这样可能要花更长的时间来完成完整的人脑模拟。
马克拉姆个人认为历史站在他的一边。在伯尔尼的会上他表示：“模拟式研究是无法阻挡的趋势。即使我不这样做，它还是会出现。在科学的很多领域现在都是这么做的。同样，在生命科学的天地里它将再续辉煌。”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐
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本文作者M·米切尔·沃尔德罗普（M. Mitchell Waldrop），粒子物理学博士，2008年就职于《自然》杂志。