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美国大脑计划2016财年预算增至3亿美元,神经技术

[据美国白宫官方网站2015年2月13日报道]2013年4月2日,美国总统奥巴马通过“先进神经技术计划”启动了对大脑的研究。这一“大挑战”研究计划将彻底改变我们对人类大脑的理解。自那时以来,“大脑计划”已有5家联邦机构参与其中。“大脑计划”已被美国政府确定为最重要的科技发展计划。“大脑计划”的预算已经从2015财年的2亿美元增加到2016财年的3亿美元。

美国政府2013年提出“推进创新神经技术脑研究计划”,目标包括探索人类大脑工作机制、开发大脑不治之症的疗法等。这种方式有助于为研究提供持续的活力。

经济合作与发展组织曾在其《科学、技术和工业展望》中列举了未来有可能改变人类生活和社会面貌的几大新兴技术,包括大数据、人工智能、纳米材料、物联网、先进储能技术、区块链、3D打印、神经技术、合成生物学等。这些科技最前沿领域的研究在拓展推进人类社会进步的同时,也带来了新的潜在风险,是未来社会治理中不可忽视的部分。比如,人类一直以来都在研究和试图理解自身大脑的运行模式,而神经技术的发展为未来掌握“读心术”带来了可能。

增加的投资将支持广泛领域的跨学科研究项目,发展并应用前沿技术以创造大脑活动的动态图像,为研究人员找到治疗大脑疾病的新途径提供关键知识。这些项目将包括各机构在如下方面的研究部署:

美国;脑计划;大脑;研究;神经科学

神经技术(Neurotechnology)指任何利用人工手段和方法与大脑和神经系统发生互动,从而可以观察、获取乃至操控神经系统结构和功能的技术。神经技术为治疗与脑和神经系统相关的失调和损伤带来了福音,它有助于更深刻地理解大脑的自然过程,从而提高人的认知能力,并对人工智能的发展起到关键作用。然而,正像任何事情都有其两面性一样,神经技术会也可能带来深刻的伦理、法律、社会和文化问题,这需要在制定政策时加以关注。

美国国立卫生研究院将支持多系列的研究项目,包括发展记录和调制人类神经系统活动的新设备,以及用以理解单个神经元细胞和复杂神经回路在时空关系方面互动的革命性人类神经成像技术。

■今日视点

1.神经科学技术前沿

美国国防预先研究项目局将重点开展大脑功能研究,为患有大脑疾病或大脑受到创伤的军事人员和平民提供缓解病情的创新性神经技术能力。此外,DARPA正通过发展数据处理、成像和先进分析技术,提高研究人员理解大脑的能力。

美国政府2013年提出“推进创新神经技术脑研究计划”,目标包括探索人类大脑工作机制、开发大脑不治之症的疗法等。

神经技术的发展实际上已经有近半个世纪的历史了,但最近20年才走向成熟,“脑成像”技术的突破堪称这一领域的革命,因为研究人员可以用它来监控大脑的活动,在一定程度上控制大脑的功能,减轻抑郁、多动症、失眠、中风、癫痫、帕金森氏震颤症及阿尔茨海默症等神经类疾病的症状。

美国国家科学基金会将重点发展一系列的物理和概念性工具,以确定包括人类在内的生物体在整个寿命周期的大脑健康程度。NSF还将重点发展并利用这些工具,从大脑的动态活动中获得人脑思考、记忆和机能的全面理解。

这一计划之宏大,被认为可与人类基因组计划相媲美。历经3年,目前“脑计划”实施现状如何,面临哪些挑战,有何解决办法?

当前已得到广泛应用的神经技术还有磁共振成像(Magnetic resonance imaging ,MRI)、计算机断层扫描(Computed tomography,CT)、脑电图记录(electroencephalography,EEG)、经颅磁信号刺激(Transcranial magnetic stimulation,TMS),经颅电信号刺激(Transcranial direct current stimulation)等。

美国情报先期研究项目局将重点利用神经科学领域所取得的突破去发展对大脑认知和计算能力的理解。另外,IARPA也将测试和验证无创伤神经干预技术,该技术有望显著改善自适应推理和解决问题的能力。

高调起步

除此以外,目前神经科学和技术领域最热门和最具前景的前沿技术有:

美国食品和药品管理局将重点增强对神经医疗设备监管的透明度和可预测性。FDA的工作还包括一项新项目。该项目将加速某些医疗设备的适用性,解决尚未解决的公共卫生需求,确保患者获得高品质、安全有效的医疗设备,其中也包括治疗大脑疾病的设备。

3年前,美国总统奥巴马雄心勃勃地公布这一宏伟计划,称要“通过10年努力绘制出完整的人脑活动图”,并认为这将不仅具有科研和医学意义,还将产生巨大的经济社会影响,具有改善全球数十亿人生活的潜力。

神经调控技术:“国际神经调控学会”将神经调控定义为通过对身体的特定部位实施电刺激或运用化学品来改变神经的活动。也就是说,神经调控技术通过直接作用于神经系统本身来调控身体。因此,神经调控技术和设施在治疗神经系统紊乱方面越来越重要。其应用范围从治疗慢性神经痛、帕金森病、痉挛、癫痫、中风、阿尔茨海默症以及神经引起的背痛和四肢痛到调节膀胱和肠道紊乱等不一而足。据美国一家市场研究公司的报告,到2022年,全球神经调控技术和设备的市场规模预计将超过117亿美元。

“大脑计划”还将进一步支持非政府合作方。主要的基金会、私营研究院所、大学、患者权益组织已经承诺向“大脑计划”投资2.4亿美元。此外,美国“国家光电计划”成员单位、西北太平洋神经科学联合会等区域性产业集群、通用电气、葛兰素史克、Inscopix等公司也承诺将在研究和开发方面投入超过3000万美元

白宫不仅对这项计划寄予厚望,也给予了巨大支持。在美国联邦政府2017财政年度预算中,“脑计划”的预算增至4.34亿美元,与2016财年相比增幅近45%,更是2014财年的4倍多。

光遗传学技术:也叫作“光刺激基因工程”即用光来控制和操纵活性组织中的神经细胞乃至神经活动的技术,这一技术为探索神经细胞、神经网络和人的行为间的因果关系提供了一个强有力的工具。DNA双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·可里克曾认为,神经科学技术面临的最主要挑战就是在控制大脑中某一类细胞的同时做到不影响其他种类。电极刺激做不到这一点,药物刺激也不够精准,且作用时间过长。光遗传学技术实际上也是神经调控技术的一种,曾被英国《自然》杂志评为2010年的“年度方法”。这一技术未来有可能延伸到人的情感领域,用于调节人的情绪、揭开神经退行性疾病、行为和意识之间的机理等。

除了政府拨款,美国各界也在为这项计划提供支持。美国著名商界人士桑迪·韦尔和夫人26日刚刚宣布,为“脑计划”捐出1.85亿美元,希望能推动神经科学发展。这是脑科学领域史上最大的一笔捐款。

脑机交互技术:通过外部设备感知和解码大脑的神经活动——即将大脑指令和信号通过相连的计算机传递给外部设备并作用于现实的技术,如移动光标或假肢等。这样就可以让人实现对设备进行意识操控。这项技术在需要高度集中注意力的职业如汽车驾驶员、飞行员、宇航员等领域大有可为。它或许还能提高智力水平,让多个大脑协同开展某项任务,以提高执行的效果。它甚至还能为人类开发新的感觉,如感知磁场、红外线或无线电波提供帮助。美国在此方面的研究获得了相当进展,特别在用意识操控动作方面,比如斯坦福大学的研究人员运用这项技术已经创造出迄今为止最快的打字速度。这对于改善残疾人的生活意义重大。

“脑计划”咨询委员会联合主管、美国神经生物学家科尼利亚·巴格曼曾对媒体说,最初获得资金时,科学家并不知道如何推进“脑计划”研究,后来达成了一个基本共识:第一步是技术创新和推动技术发展,只有这样才能推动神经科学向前发展;第二步是将这些新技术应用于探索大脑功能的工作机制。

纳米机器人:是由大小从1到100纳米的组件组装成的微系统,这样尺度的机器人在实际应用中的潜力几乎是无限的。比如在医疗领域可以利用纳米机器人更精确地将药物输送到目标靶位,从而可以更精准和有效地杀死癌细胞或退化和坏死的神经细胞。在神经科学、诊断及治疗方面也有很好的前景,未来还有可能应用于刺激、感知、信息处理等领域。目前,全世界已经出现了一股纳米机器人竞赛热潮。

过去3年,“脑计划”研究在多个领域取得进展。比如去年4月,科学家找到了一种通过控制实验室动物大脑神经回路、较准确操控其行为的方式,被美国媒体称为该计划启动以来第一个重要成就。

2.脑科学研究的进展

齐头并进

神经技术最复杂的挑战在于搞清大脑的机理并模仿其过程。理解大脑的意识、思维、认知及其他高等级的神经活动对于修复脑损伤、治疗阿尔茨海默症乃至推进人工智能技术都是至关重要的。当前人工智能最热门的研究领域也是模拟人脑,而任何计算机对人脑功能的模拟都离不开当前的脑科学研究。

美国“脑计划”的具体事务由多个机构负责,这些机构侧重点各有不同。从涉及该项目的2017财年预算中,“脑计划”几大研发方向或许可窥一斑。

当前全球范围内主要的脑科学和技术研究计划主要有:

作为“脑计划”研究的主要机构,美国国家卫生研究院将获得该计划预算的最大部分,总共1.95亿美元资金,支持其“脑计划2025”项目。国家卫生研究院还计划通过“脑计划公私合作伙伴项目”,将学术研究者与新技术工具制造商对接起来。

人类大脑项目——是由欧洲发起的一项为期10年的大型科学研究项目,总投入16亿欧元,目的是建立一个基于信息和通信技术的脑科学研究基础设施,让全欧洲乃至全世界的研究人员可以利用来推进神经科学、计算技术以及与脑相关的医学研究。该项目分为12个子项目,其中的6个都是用来开发基于ICT技术的平台。

美国国家卫生研究院公布的研究方向,包括开发分析大脑细胞和神经回路的研究工具,开发新一代人类大脑成像技术,大规模记录大脑活动和调节控制大脑功能,研究神经回路功能、开发新一代人脑侵入性装置,开设多项神经科学短期课程等。

大脑技术计划——通过将科学家、医生、企业家及投资者集合到一起,加快对于大脑疾病的创新型疗法的开发,使以色列成为该领域的研究中心。

美国能源部将首次获得900万美元经费支持,重点发展新型生物传感器和监测设备以监测关键分子在大脑中的工作过程。

疾病研究综合神经技术脑图谱——于2014年发起,目标有3类:一是绘制非人类大脑的结构和功能;二是开发支持大脑绘制的新型的、先进的技术;三是人类大脑绘制与临床研究。

另外,美国国防部高级研究项目局将获得1.18亿美元资金,重点内容包括研发能够读写单个神经元功能的硬件原型等。美国国家科学基金会将获得7400万美元,用于设立“国家大脑观测站”,协调大规模国际脑研究项目,平衡在神经技术领域的多方投资。美国情报高级研究计划署则将继续研究应用神经科学。

蓝色大脑项目——运用超级计算机对啮齿类动物的大脑进行数字化解读和重构,最终对人脑的运作和机理进行数字化重构。2007年11月该项目的第一阶段已经完成。

脑计划——2013年4月由奥巴马政府发起,其宗旨是支持开发和利用创新性的技术增进对脑功能的理解,特别是揭示脑功能与行为之间的复杂联系,继而揭开脑功能紊乱和障碍的秘密并达到治疗的目的。该计划属于美国政府更宏大的神经科学计划的一部分。

这些大脑科学项目目前都已取得相当进展,但仍未能解决理解大脑运作方式的一个根本问题:神经元组合在一起与思想各要素之间存在怎样的生物学与物理学联系。

3.神经技术存在风险

当前神经科学与技术的创新为理解人的智力与思维带来了许多新手段,但像任何事物一样,它也可能带来许多现在人们意想不到的后果。植入式神经技术由于需要通过神经外科手术,将电极或干细胞等植入体内,可能造成非预期的大脑生理与功能的变化。非植入式神经技术虽然风险更小,但长期使用也可能对大脑结构和功能产生负面影响。

此外,神经技术还有可能引发重大社会和伦理问题。特别是随着神经技术的发展,它有可能暴露人类最大的隐私:即我们实际在想什么?这将引发关于侵犯人的自由意志的问题,还可能加剧社会不平等,为企业、黑客、政府或其他任何团体和个人提供利用和操纵他人的新方法。因此,“读心术”需要谨慎对待,它不仅涉及医疗和商业机会,而且更重要的是,它事关人类的尊严、隐私和平等,而现有的道德准则和法律远不足以应对这些新的神经科学问题。

(作者:谷峻战,系中国科学技术信息研究所副研究员)

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