作者注：歐盟人腦計劃于2013年入選了歐盟的未來旗艦技術項目，獲得了10億歐元的資金支持，也成為了全球范圍內最重要的人類大腦研究項目。目前對于人類大腦研究的重要性和意義已無需贅述，國內對人工智能和神經(jīng)認知的討論也日益增多，但卻非常淺顯，關于歐盟人腦計劃的介紹僅是幾篇簡短的新聞稿，而“百度大腦”的出現(xiàn)也只是吸引了一下眼球而已。因此，筆者想通過對歐盟人腦計劃的詳細描述為關注這個領域的研究機構、互聯(lián)網(wǎng)公司和愛好者提供一些有實際意義的參考和靈感。同時，也想讓大家感覺一下，當我們還在把“最強大腦”當娛樂時，國外對人腦研究的重視和執(zhí)行已經(jīng)到了何種程度?；蛟S在將來我們依然能看到那個熟悉的畫面：我們一邊在流水線上加工著廉價的大腦硬件，一邊幸福的談論著國外的人腦技術是如何超乎想象和令人興奮。就像我們今天談論計算機、互聯(lián)網(wǎng)和iPhone一樣。
理解人類大腦是21世紀科學領域最重大的挑戰(zhàn)之一。如果我們能對此良好應對，則可以更好的洞悉大腦原理，研發(fā)新的大腦疾病的治療方法，并能建立一套全新的、革命性的信息通信技術(Information and Communications Technologies ，以下簡稱ICT)。
本文節(jié)選自HBP(人腦計劃，Human Brain Project，以下簡稱HBP)執(zhí)行報告，其認為，信息通信技術和生物學的融合已經(jīng)到達了一個奇點——它可以將我們一直夢寐以求的掌握人類大腦變?yōu)楝F(xiàn)實。正是這種可行性促使研究者發(fā)起HBP的預研究項目(HBP-PS)，預研究由歐盟資助，為期一年，300多名來自神經(jīng)認知學、醫(yī)學和計算科學的專家集聚一堂來開發(fā)一種新的ICT以便更好的研究大腦并在此基礎上開展各種應用。2013年，該項目入選了歐盟的未來旗艦技術項目(Future & Emerging Technologies，以下簡稱FET，另一個項目是石墨烯)，將從歐盟委員會獲得10億歐元資金支持，為期十年。
一、項目背景和綜述
研究者發(fā)現(xiàn)在大腦研究過程中我們一直以來面臨的最大障礙是各項大腦研究工作及產(chǎn)生數(shù)據(jù)的碎片化。當今的神經(jīng)認知學領域的研究非常富有成效但缺乏系統(tǒng)性。它得到的眾多數(shù)據(jù)描述了大腦眾多區(qū)域內不同生理組織的不同層次，而這些研究樣本又來自于不同發(fā)育階段的不同物種?，F(xiàn)階段，研究者迫切需要將這些數(shù)據(jù)進行整合，以更好的展示出各部分如何組合并形成統(tǒng)一的、多層次的研究體系。
生物學和信息通信技術的不斷融合給了我們實現(xiàn)這個偉大目標的機會。新的基因測序和成像技術、新的顯微鏡觀測技術使我們觀測大腦的方式發(fā)生了徹底改變。借助互聯(lián)網(wǎng)和云計算，我們可以輕易的將分布在世界各地的研究機構和醫(yī)療機構的數(shù)據(jù)進行高效整合。神經(jīng)信息學為我們提供了更先進的數(shù)據(jù)分析方法，幫助我們構建無比詳盡的大腦圖譜并進行共享，鑒定別我們各自的知識缺陷和盲點，并在實驗數(shù)據(jù)缺失時通過技術手段對參數(shù)值進行預測。而對于大腦龐大且復雜的生理細節(jié)，超級計算機的出現(xiàn)也使得建立和模擬各種大腦模型成為可能。
這些技術將加速我們對大腦的理解，也能在另外兩個領域給與我們啟發(fā)，一是針對大腦疾病全新預防和治療方式;二是能夠變革產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟和社會的更為先進的計算技術。
二、大腦研究的新基礎
HBP追求四大目標，每一個目標都是以現(xiàn)有工作為基礎，并成為下一步研究的觸發(fā)點。
1、數(shù)據(jù)
采集篩選過的、必要的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)來繪制人腦圖譜并設計人腦模型，同時吸引項目外的研究機構來貢獻數(shù)據(jù)。
當今的神經(jīng)認知學已經(jīng)積累了海量實驗數(shù)據(jù)，大量原創(chuàng)研究帶來了層出不窮的新發(fā)現(xiàn)。即便如此，構建多層次大腦圖譜和統(tǒng)一的大腦模型所需的絕大部分核心知識依然缺失。因此，HBP的首要任務是采集和描述篩選過的、有價值的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，而不是進行漫無目的的搜尋。HBP-PS定義了數(shù)據(jù)研究的三個重點：
1)老鼠大腦的多層級結構。此前研究表明，對老鼠大腦的研究成果同樣適用于所有的哺乳類動物。因此，對老鼠大腦組織的不同層級間關系的系統(tǒng)研究將會為人腦圖譜和模型提供關鍵參考。
2)人腦的多層級結構。老鼠大腦的研究數(shù)據(jù)在一定程度上可以為人腦研究提供重要參考，但顯然兩者存在根本區(qū)別。為了定義和解釋這些區(qū)別，HBP的研究團隊應采集關于人類大腦的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，并盡可能積累到已有的老鼠大腦數(shù)據(jù)的規(guī)模，便于對比。
3)人腦功能和神經(jīng)元結構。弄清大腦結構和大腦功能之間的聯(lián)系是HBP的重要目標之一。HBP會把三分之一的研究重點放在負責具體認知和行為技能的神經(jīng)元結構上，從其他非人類物種同樣具備的簡單行為一直到人類特有的高級技能(例如語言)。
2、理論
定義數(shù)學模型，解釋不同大腦組織層級與它們在實現(xiàn)信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內在關系。
如果缺乏統(tǒng)一、可靠的理論基礎，我們很難解決神經(jīng)科學在數(shù)據(jù)和研究方面碎片化的問題。因此，HBP應包含一個專注于研究數(shù)學原理和模型的理論研究協(xié)調機構，這些模型用來解釋大腦不同組織層級與它們在實現(xiàn)信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內在關系。作為這個協(xié)調機構的一部分，HBP應建立一個開放的“歐洲理論神經(jīng)科學研究機構”(European Institute for Theoretical Neuroscience)，以吸引更多項目外的優(yōu)秀科學家參與其中，并充當創(chuàng)新性研究的孵化器。
3、ICT平臺
建立一套綜合的ICT平臺系統(tǒng)，為神經(jīng)認知學家、臨床研究者和技術開發(fā)者提供服務以提高研究效率。
HBP的第三個目標是建立一個匯集多個ICT平臺的統(tǒng)一技術系統(tǒng)，其具備充分的技術潛力來應對一種全新的基于ICT的人腦研究任務。我們建議組建六大平臺，神經(jīng)信息系統(tǒng)、人腦模擬系統(tǒng)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、高性能計算系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和神經(jīng)機器人學系統(tǒng)。
1)神經(jīng)信息系統(tǒng)。HBP的神經(jīng)信息平臺將為神經(jīng)科學家提供有效的技術手段，使他們更加容易的對人腦結構和功能數(shù)據(jù)進行分析，并為繪制人腦的多層級圖譜指明方向。此平臺還包含神經(jīng)預測信息學的各種工具，這有助于對描述大腦組織不同層級間的數(shù)據(jù)進行分析并發(fā)現(xiàn)其中的統(tǒng)計性規(guī)律，也有助于對某些參數(shù)值進行估計，而這些值很難通過自然實驗得出。在此前的研究中，數(shù)據(jù)和知識的缺乏往往成為我們系統(tǒng)認識大腦的一個重要障礙，而上述技術工具的出現(xiàn)使這一難題迎刃而解。
2)人腦模擬系統(tǒng)。HBP會建立一個足夠規(guī)模的人腦模擬平臺，旨在建立和模擬多層次、多維度的人腦模型，以應對各種具體問題。該平臺將在整個項目中發(fā)揮核心作用，為研究者提供建模工具、工作流和模擬器，幫助他們從老鼠和人類的大腦模型中匯總出大量且多樣的數(shù)據(jù)來進行動態(tài)模擬。這使“計算機模擬實驗”成為可能，而在只能進行自然實驗的傳統(tǒng)實驗室中是無法做到這一點的。借助平臺上的各種工具可以生成各種輸入值，而這些輸入值對于HBP中的醫(yī)學研究(疾病模型和藥物效果模型)、神經(jīng)形態(tài)計算(應用于神經(jīng)形態(tài)硬件的大腦模型)、神經(jīng)機器人研究(應用于具體認知和行為任務的神經(jīng)回路模型)至關重要。
3)高性能計算系統(tǒng)。HBP的超級計算平臺將為建立和模擬人腦模型提供足夠的計算能力。其不僅擁有先進的百億億次級超級計算技術，還具備全新的交互計算和和可視化性能。
4)醫(yī)療信息系統(tǒng)。HBP的醫(yī)療信息系統(tǒng)需要匯集來自醫(yī)院檔案和私人數(shù)據(jù)庫的臨床數(shù)據(jù)(以嚴格保護病人信息安全為前提)。這些功能有助于研究者定義出疾病在各階段的“生物簽名”，從而找到關鍵突破點。一旦研究者擁有了客觀的、有生物學基礎的疾病探測和分類方法，他們將更容易找到疾病的根本起源，并相應的研發(fā)出有效治療方案。
5)神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)。HBP的神經(jīng)形態(tài)計算平臺將為研究者和應用開發(fā)者提供他們所需的硬件和設計工具來幫助他們進行系統(tǒng)開發(fā)，同時還會提供基于大腦建模多種設備及軟件原型。借助此平臺，開發(fā)者能夠開發(fā)出許多緊湊的、低功耗的設備和系統(tǒng)，而這些正在逐漸接近人類智能。
6)神經(jīng)機器人系統(tǒng)。HBP的神經(jīng)機器人平臺為研究者提供開發(fā)工具和工作流，使他們可以將精細的人腦模型連接到虛擬環(huán)境中的模擬身體上，而以前他們只能依靠人類和動物的自然實驗來獲取研究結論。該系統(tǒng)為神經(jīng)認知學家提供了一種全新的研究策略，幫助他們洞悉隱藏在行為之下的大腦的各種多層級的運作原理。從技術角度來說，該平臺也將為開發(fā)者提供必備的開發(fā)工具，幫助他們開發(fā)一些有接近人類潛質的機器人，而以往的此類研究由于缺乏這個“類大腦”化的中央控制器，這個目標根本無法實現(xiàn)。
4、應用
HBP的第四個主要目標是可以成功的體現(xiàn)出為神經(jīng)認知學基礎研究、臨床科研和技術開發(fā)帶來的各種實用價值。
——統(tǒng)一的知識體系原則。本項目中的“人腦模擬系統(tǒng)”和“神經(jīng)機器人系統(tǒng)”會對負責具體行為的神經(jīng)回路進行詳盡解釋，研究者可利用它們來實施具體應用，例如模擬基因缺陷的影響、分析大腦不同層級組織細胞減少的后果，建立藥物效果評價模型。并最終得到一個可以將人類與動物從本質上區(qū)分開來的人腦模型，例如，該模型可以表現(xiàn)出人類的語言能力。這些模型將使我們對大腦的認識發(fā)生質的變化，并且可以立即應用于具體的醫(yī)療和技術開發(fā)領域。
——對大腦疾病的認識、診斷和治療。研究者可充分使用醫(yī)療信息系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和人腦模擬系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)各種疾病演變過程中的生物簽名，并對這些過程進行深入分析和模擬，最終得出新的疾病預防和治療方案。這項工作將充分體現(xiàn)出HBP項目的實用價值。新診斷技術在疾病還未造成不可逆的危害前，就能提前對其進行診斷，并針對每位患者的實際情況研發(fā)相應的藥物和治療方案，實現(xiàn)“個人定制醫(yī)療”，這將最終有利于患者治療并降低醫(yī)療成本。對疾病更好的了解和診斷也會優(yōu)化藥物研發(fā)進程，更好的篩選藥物測試候選人和臨床測試候選人，這無疑有益于提高后期的實驗成功率，降低新藥研發(fā)成本(目前每種藥物的研發(fā)成本約10億歐元)。
——未來計算技術。研究者可以利用HBP的高性能計算系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和神經(jīng)機器人平臺來開發(fā)新興的計算技術和應用。高性能計算平臺將會為他們配備超級計算資源，以及集成了多種神經(jīng)形態(tài)學工具的混合技術。借助神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和神經(jīng)機器人平臺，研究者打造出極具市場應用潛力的軟件原型。這些原型包括家庭機器人，制造機器人和服務機器人，它們雖然看起來不顯眼，但卻具備強大的技術能力，包括數(shù)據(jù)挖掘、機動控制、、視頻處理和成像以及信息通信等。
三、社會倫理
考慮到HBP的研究和技術帶來的巨大影響，該項目會組建一個重要的社會倫理小組，來資助針對HBP項目對社會和經(jīng)濟造成的潛在影響的學術研究，該小組會在倫理觀念上影響HBP研究人員，管理和提升他們的倫理道德水平和社會責任感，其首要任務是在具有不同方法論和價值觀的利益相關者和社會團體之間展開積極對話。
四、項目的三大階段
HBP將持續(xù)十年，分為三個重要階段。
最初兩年半(“ramp-up” phase，上升期)，HBP將專注于ICT平臺初始版本的建立，并為該平臺收集篩選過的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)。此階段結束時，ICT平臺能夠為本項目及項目外的研究者所正常使用。
接下來四年半(“operational phase”，運營期)，項目會加強戰(zhàn)略數(shù)據(jù)的收集以及平臺新功能的補充，同時也會積極展示該ICT平臺在神經(jīng)人認知學的基礎研究、醫(yī)療應用和未來計算技術方面的重大價值。
最后三年(“sustainability phase”，穩(wěn)定期)，項目會繼續(xù)上個階段的工作并努力實現(xiàn)自負盈虧——讓這個平臺上創(chuàng)造出來的功能和知識成為歐洲科學研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的永久性資產(chǎn)。
五、成本
估計HBP的整體投資將接近11.9億歐元，其中第一階段需要8000萬歐元，第二階段需要6.73億歐元，第三階段需要4.37億歐元。
六、HBP的管理和經(jīng)營
HBP將是一個持續(xù)十年的龐大的跨學科的研究項目，包含了來自二十多個國家的合作方，且耗資巨大。因此，我們經(jīng)營管理機制必須具備強大且靈活的領導力，保證ICT平臺真正變成一個共同體資源來共享和合作。HBP合作方建立監(jiān)督機制，各類監(jiān)督活動也會貫穿項目始終。希望接入ICT平臺的研究項目必須經(jīng)過完備的競爭和篩選過程，而且此過程會向全球科學界進行公開。
七、HBP的影響
HBP將極大加速人類對人腦結構和功能的全面理解，有助于人類更好的研究大腦疾病并發(fā)現(xiàn)更加優(yōu)化的治療方案，也會幫助人類開發(fā)基于人腦機理的革命性的信息通信技術。
從對科學研究的影響來說，HBP收集的數(shù)據(jù)以及ICT提供的各種技術手段將幫助我們克服之前神經(jīng)科學研究碎片化的問題，為我們深入了解大腦結構和功能之間的關系提供了全新的視角。該項目將使研究者有機會解開當今神經(jīng)認知領域的諸多研究難題，包括大腦的學習和記憶，神經(jīng)編碼原理，甚至是人類感覺和意識的神經(jīng)原理。
HBP也會給醫(yī)學帶來重大影響，加速新診斷工具和治療方式的研發(fā)?？紤]到大腦疾病的高額成本，即使很小的進步也會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。降低藥物研發(fā)成本、提高藥物成功率也會使制藥產(chǎn)業(yè)獲益良多。核心模型和技術由歐洲研究者和機構開發(fā)出來，這將極大提高歐洲制藥產(chǎn)業(yè)在全球腦部疾病新藥領域的競爭優(yōu)勢，而該領域的市場潛力巨大。
通過將大腦研究整合至ICT平臺，HBP將有足夠的話語權來決定計算機技術的未來發(fā)展方向。項目中用到的超級計算、人機交互和可視化、全方位模擬和云計算等技術會更多的為產(chǎn)業(yè)和消費者服務，開始一個良性循環(huán)，需求增長導致規(guī)模效應和成本下降，而成本的下降會進一步刺激需求，使超級計算機等技術能夠更加廣泛的應用于產(chǎn)業(yè)界和學術界。這些功能需要先進的軟件支持，而歐洲在這方面擁有強大的競爭優(yōu)勢。
HBP在神經(jīng)形態(tài)計算和神經(jīng)機器人學方面的研究工作會促使低功耗系統(tǒng)加速發(fā)展，以逐漸接近人類水平。雖然這些技術不會取代過去50年驅動歐洲發(fā)展的傳統(tǒng)計算機技術，但它們深具潛力的應用范圍和戰(zhàn)略意義也同樣重要。HBP如果可以在此領域占據(jù)領先地位，則將會對保持歐洲在世界經(jīng)濟中的競爭地位起到關鍵作用。
