作者：M. Mitchell Waldrop，來自自然雜誌
這完全不像亨利·馬爾克拉姆所預期的“私刑”。但是，來自他的神經科學家同行的連珠炮般的質疑評論——“這簡直是垃圾，”一位科學家說——確實讓這一天感覺像是一場審判。
正式而言，1月20日在伯爾尼舉行的瑞士科學院會議是對神經科學中大規模計算機建模的概述。非正式而言，這是神經科學家首次真正有機會獲得關於馬爾克拉姆關於人類大腦計劃（HBP）的有爭議提案的答案——該計劃旨在構建一個超級計算機模擬，該模擬整合了關於人類大腦的一切已知資訊，從神經細胞膜中離子通道的結構到意識決策背後的機制。
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馬爾克拉姆是一位出生於南非的大腦電生理學家，十年前加入了位於洛桑的瑞士聯邦理工學院（EPFL），他可能很快就會看到他的雄心壯志得以實現。該專案是角逐成為歐盟兩項新的十年旗艦計劃之一的六個入圍者之一，獎金為10億歐元（13億美元）。
“大腦研究人員每年發表60,000篇論文，”馬爾克拉姆在伯爾尼解釋這個概念時說。“它們都是精美的、出色的研究——但都專注於他們自己的小角落：這個分子、這個大腦區域、這個功能、這張圖譜。” 他說，HBP 將整合這些發現，並建立模型來探索神經迴路是如何組織的，以及它們如何產生行為和認知——這是神經科學中最深奧的謎團之一。馬爾克拉姆說，最終，HBP 甚至將幫助研究人員應對阿爾茨海默病等疾病。“如果我們沒有一個綜合的觀點，我們就無法理解這些疾病，”他宣稱。
然而，會議上的反應清楚地表明，人們對馬爾克拉姆的願景深感不安。許多神經科學家認為這是考慮不周的，尤其因為馬爾克拉姆獨特的腦模擬方法在他們看來極其繁瑣和過度詳細。他們認為 HBP 被過度炒作了，這要歸功於媒體對它將要完成的成就的令人興奮的報道。而且他們完全不確定他們是否可以信任馬爾克拉姆來執行一個真正對其他想法開放的專案。
蘇黎世大學和蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）聯合倡議神經資訊學研究所（INI）的聯合主任羅德尼·道格拉斯宣稱：“我們需要神經科學的多樣性。” 他說，鑑於對大腦的瞭解如此之少，“我們需要儘可能多不同的人表達儘可能多不同的想法”——如果將如此稀缺的神經科學研究資金轉移到一個單一的努力中，這種多樣性將受到威脅。
馬爾克拉姆不為所動。他辯稱，目前，神經科學家沒有實現對大腦的全面理解的計劃。“所以這就是計劃，”他說。“構建統一模型。”
馬爾克拉姆的宏大構想
至少從 1980 年開始，馬爾克拉姆就開始追求統一性，當時他在南非開普敦大學開始了本科學習。當他認為精神病學主要是將人歸入診斷類別並相應地給他們用藥時，他放棄了他的第一個研究領域。“這永遠不會告訴我們大腦是如何工作的，”他在伯爾尼回憶道。
他對新方向的探索將馬爾克拉姆帶到了道格拉斯的實驗室，當時道格拉斯是開普敦一位年輕的神經科學家。馬爾克拉姆被迷住了。“我說，‘就是這個！在我的餘生裡，我將深入研究大腦，瞭解它是如何工作的，直到我們能找到的最小細節。’”
這種熱情將馬爾克拉姆帶到了以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所攻讀博士學位；在美國馬里蘭州貝塞斯達的美國國立衛生研究院和德國海德堡的馬克斯·普朗克醫學研究所擔任博士後研究員；並在 1995 年在魏茨曼獲得教職。他作為一名實驗者的聲譽卓著，尤其是在證明了尖峰時序依賴性可塑性——其中神經連線的強度根據衝動到達和離開的時間而變化（H. Markram 等人，《科學》275, 213-215; 1997）。
到 1990 年代中期，個人的發現讓他感到不滿意。“我意識到我可以在我職業生涯的未來 25 年、30 年裡做這件事，但這仍然無法幫助我理解大腦是如何工作的，”他說。
他推斷，為了做得更好，神經科學家必須系統地彙總他們的發現。每一項實驗至少都隱含地涉及一個模型，無論是離子通道的分子結構還是皮質迴路的動力學。馬爾克拉姆意識到，藉助計算機，您可以顯式地編碼所有這些模型，並讓它們協同工作。這將幫助研究人員找到他們知識中的差距和矛盾，並確定解決這些問題所需的實驗。
馬爾克拉姆的洞察力並非獨創：自 20 世紀初以來，科學家們一直在設計神經活動的數學模型，自 1950 年代以來就一直在使用計算機來完成這項任務（參見第 462 頁）。但他的雄心壯志是巨大的。他沒有將每個神經元建模為例如較大神經網路中的一個點狀節點，而是提議以其所有多分支細節對其進行建模——直至其無數的離子通道（參見“構建大腦”）。而且，他不想僅僅模擬參與例如嗅覺的神經迴路，而是想模擬一切，“從基因水平、分子水平、神經元和突觸、微迴路如何形成、宏迴路、中迴路、大腦區域——直到我們理解如何將這些水平聯絡起來，一直到行為和認知。”
執行如此宏大的大腦統一理論所需的計算機功率約為每秒一艾克斯浮點運算，或 1018 次運算——在 1990 年代是絕望的。但馬爾克拉姆並沒有氣餒：可用的計算機功率大約每 18 個月翻一番，這意味著百億億次計算機可能在 2020 年代可用（參見“任重道遠”）。與此同時，他認為神經科學家應該為此做好準備。
馬爾克拉姆的雄心壯志與帕特里克·埃比舍的雄心壯志完美契合，帕特里克·埃比舍是一位神經科學家，於 2000 年成為 EPFL 的校長，並希望將該大學打造成計算和生物醫學研究領域的強國。馬爾克拉姆是他 2002 年最早招募的成員之一。“亨利給了我們一個購買藍色基因的理由，”埃比舍說，他指的是當時一種新的 IBM 超級計算機，該計算機針對大規模模擬進行了最佳化。2005 年，一臺計算機安裝在 EPFL，讓馬爾克拉姆啟動了藍色大腦計劃：他的第一個綜合神經科學實驗，事後看來，它是 HBP 的原型。
馬爾克拉姆說，該專案的一部分是對統一模型可能意味著什麼的演示，他從他對大鼠皮層的資料集開始，他和他的學生自 1990 年代以來一直在積累該資料集。他說，它包括來自許多實驗室的大約 20,000 個實驗的結果——“關於我們遇到的每種細胞型別的資料，形態、三維重建、電特性、突觸通訊、突觸的位置、突觸的行為方式，甚至關於表達哪些基因的遺傳資料”。
到 2005 年底，他的團隊已將此資料集的所有相關部分整合到單神經元模型中。到 2008 年，研究人員已將大約 10,000 個此類模型連線到一個稱為皮質柱的管狀皮質部分的模擬中。現在，使用更高階版本的藍色基因，他們已經模擬了 100 個互連的柱。
馬爾克拉姆說，這項努力取得了一些發現，例如柱中突觸的尚未公佈的統計分佈。但它真正的成就是證明，正如承諾的那樣，統一模型可以作為皮質結構和功能資料的儲存庫。事實上，馬爾克拉姆說，該團隊的大部分努力都投入到建立“使藍色大腦對每位神經科學家都有用的龐大基礎設施和軟體生態系統”中。這包括將資料轉換為模擬的自動工具，以及資訊學工具，例如 http://channelpedia.net——一個使用者可編輯的網站，可自動整理來自 PubMed 資料庫出版物中關於離子通道的結構資料，目前收錄了約 180,000 篇摘要。
馬爾克拉姆說，最終目標始終是整合整個大腦的資料。2009 年 12 月，歐盟宣佈準備為每個高風險但可能具有變革性的旗艦專案投入約 10 億歐元，最終出現了接近該規模的機會。馬爾克拉姆曾是認可該倡議的 27 名成員諮詢小組的成員，他立即著手組織自己的參賽作品。2011 年 5 月，HBP 被提名為六個候選專案之一，這些專案將獲得種子資金並準備一份完整的提案，提案截止日期為 2012 年 5 月。
馬爾克拉姆說，如果 HBP 被選中，關鍵目標之一是使其具有高度協作性和網際網路可訪問性，向來自世界各地的研究人員開放，他還補充說，該專案聯盟已經包括來自 22 個國家的約 150 名首席研究員和 70 個機構。“這將是許多愛因斯坦聚集在一起構建大腦，”他說，每個人都帶來他或她自己的想法和專業知識。
自下而上
在伯爾尼會議上，對 HBP 作為開放使用者設施的描述引發了興趣和熱情。但更多的是馬爾克拉姆的批評者，他們中的許多人專注於藍色大腦模型的感知缺陷——以及馬爾克拉姆的資料整合方法。
該方法的核心是馬爾克拉姆的信念，即一個好的統一模型必須自下而上地吸收資料。他認為，建模者應該從最基本的層面開始——他專注於離子通道，因為它們決定了神經元何時放電——並在進行到下一個層面之前讓一切在一個層面上工作。這需要大量的有根據的猜測，但馬爾克拉姆認為，隨著實驗的發表，大腦知識中公認的巨大差距可以用資料來填補——藍色大腦模型每週更新一次。馬爾克拉姆說，另一種方法是近似和抽象掉生物學細節，這樣就無法確定模型的行為是否與大腦的工作方式有關。
這就是其他計算神經科學家咬牙切齒的地方。他們中的大多數人已經在使用單個神經元的簡單模型來探索諸如模式識別之類的高階功能。許多人在伯爾尼爭辯說，馬爾克拉姆的自下而上的方法有隻見樹木不見森林的風險：該模型可能過於詳細，以至於並不比真正的大腦更容易理解。而這還是在馬爾克拉姆能夠構建它的前提下。批評者說，從藍色大腦在過去六年中所取得的成就來看，這似乎不太可能。INI 的聯合主任凱文·馬丁在一封電子郵件中指出，模擬的大鼠皮質的微小條帶沒有來自感覺器官的輸入，也沒有通往大腦其他部分的輸出，幾乎沒有產生任何有趣的行為。他說，馬爾克拉姆“當然沒有”模擬柱在整個動物中的工作方式。
馬爾克拉姆在伯爾尼對這些批評的回應是，更多的功能總是在新增到藍色大腦模擬中。但馬丁仍然不為所動。“我無法想象這種細節程度——即使在亨利付出相當大的努力之後仍然非常不完整——在未來十年內如何從齧齒動物大腦的幾個區域中獲得，更不用說果蠅、斑馬魚、鳴禽、小鼠或猴子的大腦了，”他的電子郵件繼續說道。
“當然，”馬丁補充道，“如果 HBP 沒有出現並極大地提高了賭注，那麼所有這一切都只不過是教授們茶杯裡的風暴。” 人們很容易想象神經科學研究的其他領域因 HBP 而缺乏資源——尤其是在瑞士，作為東道國，瑞士將不得不提供很大一部分但仍未確定的資金。道格拉斯問道：歐洲應該花費 10 億歐元來支援一個人的熱情追求嗎？他承認，有時需要有遠見的人來推動進步。“但如果他們熱情地錯了呢？”
同樣助長焦慮和惱怒的是，人們普遍認為馬爾克拉姆一直在透過新聞媒體，而不是通過出版、會議和其他傳統的科學渠道來宣傳他的觀點。記者們看到了很多喜歡的地方：馬爾克拉姆身材高大、引人注目，並且以已故的卡爾·薩根的南非版本的清晰度、可引用性和緊迫性來解釋他的想法。INI 的計算神經科學家理查德·哈恩洛澤說，他具有“催眠效果”。但批評者說，這導致了太多的新聞報道，給人的印象是 HBP 將例如消除對實驗動物的需求。
另一位 INI 研究人員擔心，“十年後，當暗示的預測沒有實現時，整個神經科學界都會遇到麻煩”，他擔心政治家們會立刻說，“但是你承諾過！”
進步的步伐
在伯爾尼，馬爾克拉姆對故意製造炒作的指責感到惱火。“我從未說過 HBP 會取代動物實驗，”他反駁一位提問者。“我說模擬可以幫助你選擇最能增加價值的實驗。”
馬爾克拉姆還極力強調，HBP 將對其他建模方法開放。“這種擔憂是沒有根據的，因為他們根本沒有費心去了解所提出的內容，”他在會後告訴《自然》。最終的設施“將允許任何人使用盡可能多的來自任何地方的資料，在各種生物學細節水平上構建模型”。
馬爾克拉姆似乎正在建立支援。去年，監督 ETH 和 EPFL 的董事會在一個由四人小組進行的嚴格審查後，熱情地認可了藍色大腦計劃，該小組包括兩位直言不諱地批評馬爾克拉姆方法的懷疑論者。董事會要求瑞士議會為該專案在 2013-16 年期間投入 7500 萬瑞士法郎（8100 萬美元）——是藍色大腦當前預算的十倍以上。議會的決定預計將在下個月做出。
馬爾克拉姆樂觀地認為，歐盟將對 HBP 得出大致相同的結論。然而，馬爾克拉姆說，如果該專案未獲得批准，“我們將繼續進行藍色大腦”——儘管可能需要更長的時間才能實現完整的大腦模擬。
馬爾克拉姆顯然覺得歷史站在他這邊。“基於模擬的研究是不可避免的，”他在伯爾尼宣稱。“如果我被阻止這樣做，它也會發生。它已經在科學的許多領域發生過了。它也將在生命科學領域發生。”
本文經自然雜誌許可轉載。該文章於 2012 年 2 月 22 日首次發表。