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大脑计划,中国可以做什么

时间: 2014年06月11日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
中国科学家的共识是,如果要开展类似“大脑计划”的大规模研究,那么将会把重点放在各种大脑疾病上。

10多年前的人类基因组计划,中国是6大参与国之一。尽管在当时,我们国家只承担了1%的测序任务,但这次参与,仍对中国的生物学研究产生了重要的推动作用——承担主要测序任务的华大基因目前已成为世界上最大的基因组研究机构之一。

 

现在,我们又要面临类似的情况:2013年,美国和欧盟相继宣布启动大规模大脑研究计划,希望借鉴人类基因组计划的经验,开发出新一代技术和工具,在彻底破解大脑秘密的同时,推动整个神经科学领域的进步。

 

在这次世界性的“脑科学”竞赛中,中国应该怎么做,又能做些什么?为此,《环球科学》对中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明教授进行了专访,让我们一起看看,在他眼中,中国在大脑研究中有着怎样的机遇和挑战。

 

《环球科学》:感谢蒲教授接受采访。我们知道,你的实验室研究的问题很广泛,但对你个人来说,在神经科学的领域,最吸引你的问题是什么?

 

蒲慕明:目前的神经科学领域,我最感兴趣的是神经回路的问题。过去几十年里,神经科学家在微观层面(分子细胞机制),以及宏观层面(大脑的整体功能)上,都取得了不错的进展。但是,科学家并没能把这两方面的知识和信息整合在一起。比如,我们通过大脑成像看到的各种大脑活动到底代表着什么意义?动物的行为和神经回路上的电活动怎样对应起来?目前都还没有答案。因此,在大脑研究中,从整体功能到神经细胞的活动是一个鸿沟,也是现在神经科学面临的大问题,也正因为如此,对这一问题的探索,引领着神经科学研究的世界潮流。

 

另外,对这些问题的探索,也催生了一些新技术,比如光遗传学方法。利用这种方法,可以直接用光线操纵神经元的活动,激活特定种类的神经元。这样,神经回路的功能就可以解析了,因为你可以清楚地看到因果关系:刺激完一个地方的神经元,它造成的结果是什么,对整个回路的功能有什么影响。接下来,你就可以逐步分析整个回路的功能,因此,现在有关神经回路的研究越来越热了。

 

《环球科学》:美国和欧洲相继启动了大脑计划,我国会不会开展这样大规模的大脑研究计划?

 

蒲慕明:在酝酿中。最近两年,国内有很多研究机构都在酝酿、制定计划,各地也开展了很多全国性的讨论会,探讨中国是否要开展大规模的脑科学研究,以及如果要开展的话,怎么着手。

 

《环球科学》:我国当年参与了人类基因组计划的1%,你认为大脑计划和人类基因组计划有什么相似性?最突出的区别又在哪里?

 

蒲慕明:人类大脑的研究是没有明确界限的,而基因组测序测完了也就结束了。

 

大脑研究是更为长久的事情,不是马上就可以做到的,而且困难度远大于人类基因组计划。可以这么说,不管是在规模上,还是在研究的难度上,人类基因组计划都无法和大脑计划相提并论。欧盟和美国的这两个计划也都只是大脑研究的一个方向,美国是开发新技术,而欧盟是打算用超级电脑模拟人脑的功能。

 

但是,大脑研究远不止于这些。比如,深入理解分子机制和整个神经回路功能的关系后,再去做计算机模拟才有意义,而目前,很多问题都还没弄清楚,因此这些计划和真正的人脑模拟还有很大差距。现在的大脑计划——美国的也好,欧盟的也好,距离目标都很遥远,也没有明确的目标和路标计划,比如说5年后可以做到什么,10年后又可以做到什么,现在都还不清楚。

 

《环球科学》:瑞士科学家亨利·马卡兰(Henry Markram)提出的“蓝脑计划”(Blue Brain Project)的目的似乎比较明确:希望在2015年模拟人类大脑,最终达到治疗阿尔茨海默病和帕金森病等大脑疾病的目的。

 

蒲慕明:其实,“蓝脑计划”在神经科学界是很有争议的,它模拟出来的东西没有太大意义——虽然相关的视频和图片很精彩、很漂亮,但这些视频和图片代表了什么却不清楚。因为在模拟时,相关参数并不明确——大脑的连接图谱都还不知道,怎么模拟人类大脑呢?更不用说每一个神经连接的强度是什么,种类是什么(还有很多其他参数也不清楚)。马卡兰只能用一些相对浅显的资料去模拟一些现象,这在很多科学家眼里并不是成功的。因此,欧盟提出“人类大脑计划”时,也在“蓝脑计划”的基础上做了一些改进。

 

《环球科学》:如果中国要开展大规模的大脑研究计划的话,研究重点应该放在什么方向呢?

 

蒲慕明:美国和欧盟的大脑计划的目标都很遥远,为什么西方社会最终会支持?是因为通过这两个研究计划,最终可以催生一些先进技术,都可以用到大脑疾病的治疗上,但这确实是非常遥远的目标。

 

如果中国要开展大脑研究计划,那么我们的目标要更加明确,就是要针对大脑疾病,而且就是针对几种大脑疾病,开发早期诊断技术、早期干预手段。这样做的好处是,我们不用完全理解大脑的运行机制——完全理解大脑的运行机制可能是几十年后的事情了。随着时间的推移,大脑疾病给社会带来的负担会越来越重,医疗系统的压力也将越来越大,对老年神经退行性疾病的医护,也将是一个非常迫切的需求。解决不好这个难题,甚至可能会使医疗系统崩溃。所以,我国科学家的共识是非常明确的:专攻大脑疾病。

 

《环球科学》:在中国,大脑疾病的情况如何?

 

蒲慕明:根据2011年的统计,医疗系统目前承受的负担中,大脑疾病占了19%,心血管病占11%,癌症占8%。所以可以看到,大脑疾病的社会负担超过心血管疾病。但是,相对于大脑结构和功能研究的迅速进展,大脑疾病的疗法研究却进展缓慢,医药公司对神经性和精神性疾病的新药开发也令人失望。高投资、低成功率和耗时长的临床试验都使得大公司不愿意为新药开发投入资金。另外,由于大脑结构非常复杂,想要找到药物作用目标也很困难。

 

尽管科学家还在继续寻找治疗大脑疾病的药物,发现神奇药物的希望也一直存在,但这些药物不一定会在医疗系统崩溃前出现。要避免这一结局,就需要全球性的策略去缓解大脑疾病带来的社会负担。

 

《环球科学》:对于一种疾病,是有多种治疗方法的,比如治疗帕金森病,既有药物疗法,也可以用过手术治疗,你认为我们国家的研究将会放在哪个方向?

 

蒲慕明:每个方面都可以研究,不过我们现在要加强这方面的研究,要比其他国家做得更快、更好。

 

目前,阿尔茨海默病和帕金森病是老年群体面临的最大的两个疾病威胁。退化和死亡是大脑衰老的自然过程,是环境影响以及基因突变长期积累的结果。神经退行性疾病的治疗应该旨在防止神经元受到某些内外部因素的影响,以免加速神经元的退化。这类疾病的治疗是宜早不宜迟的,早期诊断和早期介入是治疗神经退行性疾病最有效的方法。

 

通过生物标记,或者认知障碍检查,对这些疾病进行早期诊断和鉴别,然后有针对性地设计治疗方案,将有助于减缓神经退化的过程。如果能使阿尔茨海默病和帕金森病推迟10年发病,将会大大减轻社会负担。值得注意的是,要想实现有效的早期介入性治疗,不仅需要神经科学家开发出新技术,而且在很大程度上,还要依赖公共医疗系统的发展。

 

《环球科学》:脑科学研究的投入是非常大的,可能对一般人来说,进行大脑研究的意义并不像探月工程那么明显,那么引人关注。对于一个国家来说,你认为大规模大脑研究的意义在哪里?

 

蒲慕明:第一个方面的意义当然还是疾病治疗。现在,政府大力支持脑科学研究绝不是偶然。不管是在发达国家还是发展中国家,脑功能失调带来的社会负担,比如精神疾病和精神药物滥用等,都已经超过了心血管疾病和癌症。在很多社会群体中,抑郁症困扰着超过10%的人群,随着人类寿命的延长,在65岁的群体中,阿尔茨海默病影响着13%的人;在85岁的群体中,阿尔茨海默病影响着超过半数的人。而到现在,这些精神疾病都还没有特别有效的治疗方法。

 

第二个意义就是,我们的社会本来就是由人组成的,人的创造力是怎么来的,怎样的教育可以发挥人的创造力,促进创新思维,都跟大脑研究有关。因此,教育系统的设计,智力的开发,都和大脑研究直接相关。甚至在未来,很多人工智能技术的发展,也要依靠大脑研究的进步。

 

《环球科学》:在中国的神经科学领域,你对未来有什么期许?

 

蒲慕明:神经科学是前沿研究领域——“前沿”的意思就是,在未来很长时间里,脑科学领域都会有很多重大问题要解决。在生物科学中,如果要选几个重点领域的话,脑科学肯定是其中之一。

 

未来一个世纪内,中国的科学发展必然会不断发展,但是,假如我们在前沿领域没有占据领先地位,那么我们的科学研究在整体上就无法领先。对于生物科学,现在我们有人才,有社会发展带来的经济支撑,应该是可以让我们在前沿领域里占据领先地位的。

我的希望就是,在未来的几十年,在神经科学方面,中国要做到世界领先水平,至少能够跟欧美并驾齐驱。(本刊记者 吴好好)

 

人物

姓名:蒲慕明

职务:中国科学院神经科学研究所所长

地点:中国上海

概述:著名的神经生物学家、中国科学院院士、美国科学院院士,他在1999年创立了中国科学院神经科学研究所。

 
 

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2014年第6期(微信ID:huanqiukexue)。

电子版详见:http://www.huanqiukexue.com/html/danye/dianzizazhi.html