耗時十年，約 500 名科學家和約 6 億歐元，歐盟資助過的最大型研究專案之一——人腦工程專案——即將結束。其大膽的目標是透過在計算機中建模來理解人腦。
在專案執行期間，人腦工程專案 (HBP) 傘下的科學家發表了數千篇論文，並在神經科學領域取得了重大進展，例如建立了至少 200 個大腦區域的詳細 3D 地圖，開發了用於治療失明的腦植入物，並使用超級計算機模擬記憶和意識等功能，以及推進各種腦部疾病的治療方法。
歐盟委員會布魯塞爾副總幹事托馬斯·斯科達斯說：“當專案啟動時，幾乎沒有人相信大資料的潛力，以及使用大資料或超級計算機來模擬大腦複雜功能的可能性。”
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然而，幾乎從一開始，HBP 就受到了批評。該專案未能實現模擬整個人腦的目標——許多科學家從一開始就認為這個目標是遙不可及的。HBP 改變了幾次方向，其科學成果變得“支離破碎，像馬賽克一樣”，HBP 成員、認知科學家、法國國家科學研究中心 CNRS 研究主任伊夫·弗雷尼亞克說。在他看來，該專案未能對大腦提供全面或原創的理解。“我沒有看到大腦；我看到的是大腦的碎片，”弗雷尼亞克說。
HBP 主任希望透過一個名為 EBRAINS 的虛擬平臺來更進一步地理解大腦——該平臺是作為專案的一部分而建立的。EBRAINS 是一套工具和成像資料，世界各地的科學家可以使用它來執行模擬和數字實驗。“今天，我們手頭掌握著構建真正數字大腦雙胞胎的所有工具，”法國艾克斯-馬賽大學神經科學家、HBP 董事會成員維克托·吉爾薩說。
但是，這個分支機構的資金仍然不確定。在 其他地方的大型昂貴的腦專案正在高速運轉 之際，歐洲的科學家們對他們的版本正在走向衰落感到沮喪。“我們可能是最早發起這股對大腦感興趣的浪潮的人之一，”阿姆斯特丹大學的計算神經科學家豪爾赫·梅希亞斯說，他於 2019 年加入 HBP。現在，他說，“每個人都在衝刺，我們沒有時間小憩一下。”
曲折的過去
HBP 從一開始就備受爭議。當它在 2013 年啟動時，其主要目標之一是開發 更好地理解大腦功能和組織及其疾病 所需的工具和基礎設施，同時開展基礎和臨床神經科學方面的小型專案。它是 當年獲得資助的兩個長期研究計劃 之一，旨在促進歐洲的產業發展；另一個是研究石墨烯潛力的專案。
HBP 曾承諾獲得 10 億歐元（11 億美元）的資金。最終，它獲得了 6.07 億歐元，其中包括歐盟提供的 4.06 億歐元，分四個階段發放，並在每個階段以競爭性撥款的形式發放給各個實驗室（參見“人腦工程專案如何演變”）。
來源：《自然》
但在第一年，HBP 就遇到了麻煩。創始人兼前主任、洛桑瑞士聯邦理工學院 (EPFL) 神經科學家亨利·馬克拉姆表示，HBP 將能夠在十年內 在細胞水平上重建和模擬人腦。馬克拉姆的斷言引起了神經科學家的廣泛懷疑。“當科學開闢新道路時，爭議自然而然地隨之而來，”馬克拉姆說。
英國劍橋大學的計算神經科學家蒂莫西·奧利裡說，這個崇高的目標可能幫助 HBP 啟動了。“如果不附加某種荒謬的雄心勃勃的目標，HBP 是否能夠獲得資助還不清楚，”奧利裡說，他不是 HBP 的成員。
隨著時間的推移，馬克拉姆的領導越來越不受歡迎。2014 年，他和執行委員會的其他兩名成員改變了專案的重點，削減了大量關於認知神經科學的研究，導致 18 個實驗室組成的網路離開了該專案。馬克拉姆說，關於各個部門的資金存在爭議。作為回應，150 多名科學家簽署了一封抗議信，敦促歐盟委員會在第二輪融資時重新考慮 HBP 的目的。信中說，HBP 管理不善，並且在一定程度上偏離了其科學方向。“很明顯，神經科學界的一些人還沒有準備好團結在一個共同的願景下，”馬克拉姆說。
歐盟成立了一個由獨立專家組成的委員會，以調查專案的執行情況並修改其科學目標。委員會建議 HBP 應重新評估並更清晰地闡明其科學目標，並將認知神經科學和系統神經科學重新納入其核心計劃。2015 年 2 月，HBP 董事會 投票解散了由三人組成的執行委員會，並用一個更大的董事會取而代之。
這場動盪使一些科學家對該專案持謹慎態度。“這種懷疑態度一直在持續，”梅希亞斯說。
與此同時，其他地方的大型腦專案也啟動或高速運轉起來。美國和日本都在與 HBP 大致相同的時間啟動了腦專案——前者將持續到 2026 年，後者希望總共執行 15 年。中國的腦專案於 2021 年啟動，澳大利亞和韓國的專案也都已進入第七年。
HBP 的鬧劇並沒有隨著執行委員會的解散而結束。在 2016 年至 2020 年期間，該專案的高層管理人員多次更迭。與此同時，科學研究開始加速。2016 年，作為專案開發階段的成果，HBP 推出了六個專業運營平臺，涵蓋了大腦模擬、高效能分析和計算以及神經機器人等領域。
最初的想法是隨著時間的推移整合這六個方面，但在最初，“它們相當獨立”，德國於利希研究中心神經科學家、HBP 科學研究主任卡特琳·阿蒙茨說。“像 HBP 這樣的大型專案意味著存在一個學習過程，並非一切都從一開始就奏效，”她說。
最偉大的成就
撇開管理不談，HBP 積累了一些重要且有用的科學成果。透過建立和組合約 200 個大腦皮層和更深層大腦結構的 3D 地圖，HBP 科學家制作了人腦圖譜，可以透過 EBRAINS 訪問。該圖譜描繪了大腦的多層次組織，從其細胞和分子結構到其功能模組和連線性。
“人腦圖譜有點像谷歌地圖，但它是大腦的谷歌地圖，”阿蒙茨在 3 月 HBP 峰會 2023 的新聞釋出會上說。
該圖譜使用驗屍後的大腦資料生成標準化地圖，考慮了人與人之間的自然變異性。使用該圖譜，HBP 科學家在前額葉皮層中發現了六個以前未知的大腦區域，這些區域有助於記憶、語言、注意力和音樂處理。它還將地圖連結到艾倫人腦圖譜中的基因表達資料，艾倫人腦圖譜是由華盛頓州西雅圖的艾倫腦科學研究所開發的資料庫，該資料庫描述了整個大腦中的神經元特徵。利用配對的圖譜，研究人員揭示了與抑鬱症相關的基因表達變化如何與額葉皮層區域的結構和功能變化相關聯。
HBP 研究人員還開發了獨特的演算法，可以從顯微鏡影像構建大腦區域的完整支架模型。利用這種工具，研究人員製作了海馬體 CA1 區域的詳細地圖，該區域對記憶至關重要。該地圖包含約 500 萬個神經元和 400 億個突觸。
HBP 已將一些發現轉化為臨床應用，使用個性化的大腦模型——或“數字雙胞胎”——來改善癲癇症和帕金森病的治療方法。吉爾薩解釋說，數字雙胞胎是一個人大腦的數學表示，它將來自個人的掃描與模型合併。
吉爾薩和他的同事於 2019 年 6 月啟動了一項名為 EPINOV 的臨床試驗，以測試使用腦部掃描資料構建的數字模型是否可以幫助識別 癲癇發作的起源並提高癲癇手術的成功率。吉爾薩說：“這是我在 EBRAINS 之外無法做到的事情。”
EPINOV 試驗已在 11 家法國醫院招募了 356 人。吉爾薩希望透過 EBRAINS 向其他研究人員提供試驗中的成像資料。
HBP 的原始專案計劃包括開發以大腦為模型的計算系統。HBP 科學家為神經網路做出了貢獻，這些神經網路可以模擬大型類腦系統，要麼測試關於大腦如何運作的想法，要麼控制其他硬體，例如機器人或智慧手機。
並非全貌
該專案的組織者和批評者都提到了貫穿 HBP 的一個共同主題：碎片化。這是神經科學研究中長期存在的問題。“我看到了非常精明的應用，但你沒有看到多尺度整合，也沒有看到正在解決的重大問題，”弗雷尼亞克說。
在過去的三年裡，HBP 試圖透過將其技術整合到 EBRAINS 中來克服其跨學科子專案的碎片化。HBP 六個平臺上的倡議開始開發相容的工具和共享資料標準，一些小組被重組，以專注於特定的科學挑戰，而不是學科。“但是還有很多工作要做，”吉爾薩說。“神經機器人 [仍然] 與更臨床驅動的小組沒有任何聯絡。”
HBP 詳細描述了人腦解剖結構，並開發了將大腦結構和功能與基因表達聯絡起來的工具。來源：Mareen Fischinger
對於一些研究人員來說，HBP 零散的科學成果源於缺乏重點。“一個持續十年以上的專案，我期望它能產生概念上的突破，”德國哥廷根大學的理論神經物理學家弗雷德·沃爾夫說，他在簽署公開信後離開了 HBP。但他說，HBP 的情況並非如此。
巴黎綜合神經科學和認知中心的神經科學家大衛·漢塞爾說，他沒有參與該專案，他說 HBP 缺乏優先次序和有限的合作意味著它未能利用其規模，也未能真正將神經科學界團結在一個共同目標之下。“它沒有列出要解決的首要和合理的問題。基本上，‘目標’是理解大腦。”
美國國立衛生研究院 (NIH) 的“透過推進創新神經技術開展腦研究 (BRAIN)”計劃主任約翰·恩蓋認為，強調資料收集而不是假設驅動的科學是無可厚非的。BRAIN 計劃位於馬里蘭州貝塞斯達，專注於開發工具來編目、監測和測量大腦。“大科學並不總是關於登月計劃，尤其是在實現主要目標的步驟不確定的情況下。”
遺產
9 月底，HBP 將停止發放資金。儘管一些從該專案中湧現出來的努力已經獲得了繼續其工作的資助，但許多部分或全部與 HBP 合作的研究人員的未來仍不確定。
但阿蒙茨和其他人希望 HBP 的工作和 EBRAINS 平臺將成為未來幾年歐洲神經科學的基礎。“對大腦的研究需要理解大腦的多層次和多尺度，”阿蒙茨說。
2018 年 1 月，HBP 獲得了 5000 萬歐元的資助，其中包括歐盟提供的 2500 萬歐元，用於為 EBRAINS 開發互動式超級計算工具和資料儲存服務。
研究人員已經在使用該平臺來了解大腦可能如何響應刺激，例如，以及開發模仿大腦的機器人。恩蓋說，HBP 向 EBRAINS 的轉型產生了一個有價值的工具。其他地方也存在類似的平臺，但它們缺乏 EBRAINS 提供的規模和服務。
今年 3 月，歐盟委員會駁回了一項為維持 EBRAINS 執行而申請 3800 萬歐元的申請，但在與 HBP 協商後，於 6 月重新開放了同一項資助申請，給了該團隊另一次申請機會。如果申請不成功，該平臺將依靠私人資金和歐盟個別國家的財政支援相結合的方式。
與此同時，歐盟委員會正準備進行評估。該專案的最終審查將於 11 月開始，預計將於 2024 年 1 月釋出。“如果我們不想在全球神經科學領域經歷相當於人工智慧寒冬的情況，我們就需要使其受到尊重。我們需要真正評估這種型別的旗艦計劃是好是壞，”弗雷尼亞克說。
EBRAINS 執行長兼 HBP 總幹事帕維爾·斯維博達說，HBP 的結束並不是歐洲神經科學的終結。
歐盟委員會和成員國正在規劃歐洲腦健康研究的下一階段，重點是使用個性化腦模型來推進藥物發現和改善腦部疾病的治療方法。
但研究人員表示，未來的專案需要避免困擾 HBP 的鬥爭。“我們不想再做像最初那樣的 HBP，”奧利裡說。“我們需要支援小規模、重點突出的科學研究以及雄心勃勃的綜合專案。”
他說，最終，這個大型專案確實建立了專注於一些共同目標的科學家社群。“這是一個持久的遺產。”
本文經許可轉載，並於 2023 年 8 月 22 日 首次發表。