時(shí)間：2014-04-18 09:41 來(lái)源：虎嗅網(wǎng) 作者：iCombinator
作者注：歐盟人腦計劃于2013年入選了歐盟的未來(lái)旗艦技術(shù)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(lèi)大腦研究項目。目前對于人類(lèi)大腦研究的重要性和意義已無(wú)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(guān)于歐盟人腦計劃的介紹僅是幾篇簡(jiǎn)短的新聞稿，而“百度大腦”的出現也只是吸引了一下眼球而已。因此，筆者想通過(guò)對歐盟人腦計劃的詳細描述為關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域的研究機構、互聯(lián)網(wǎng)公司和愛(ài)好者提供一些有實(shí)際意義的參考和靈感。同時(shí)，也想讓大家感覺(jué)一下，當我們還在把“最強大腦”當娛樂(lè )時(shí)，國外對人腦研究的重視和執行已經(jīng)到了何種程度?；蛟S在將來(lái)我們依然能看到那個(gè)熟悉的畫(huà)面：我們一邊在流水線(xiàn)上加工著(zhù)廉價(jià)的大腦硬件，一邊幸福的談?wù)撝?zhù)國外的人腦技術(shù)是如何超乎想象和令人興奮。就像我們今天談?wù)撚嬎銠C、互聯(lián)網(wǎng)和iPhone一樣。
理解人類(lèi)大腦是21世紀科學(xué)領(lǐng)域最重大的挑戰之一。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(shù)(Information and Communications Technologies ，以下簡(jiǎn)稱(chēng)ICT)。
本文節選自HBP(人腦計劃，Human Brain Project，以下簡(jiǎn)稱(chēng)HBP)執行報告，其認為，信息通信技術(shù)和生物學(xué)的融合已經(jīng)到達了一個(gè)奇點(diǎn)——它可以將我們一直夢(mèng)寐以求的掌握人類(lèi)大腦變?yōu)楝F實(shí)。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(lái)自神經(jīng)認知學(xué)、醫學(xué)和計算科學(xué)的專(zhuān)家集聚一堂來(lái)開(kāi)發(fā)一種新的ICT以便更好的研究大腦并在此基礎上開(kāi)展各種應用。2013年，該項目入選了歐盟的未來(lái)旗艦技術(shù)項目(Future & Emerging Technologies，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FET，另一個(gè)項目是石墨烯)，將從歐盟委員會(huì )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)現在大腦研究過(guò)程中我們一直以來(lái)面臨的最大障礙是各項大腦研究工作及產(chǎn)生數據的碎片化。當今的神經(jīng)認知學(xué)領(lǐng)域的研究非常富有成效但缺乏系統性。它得到的眾多數據描述了大腦眾多區域內不同生理組織的不同層次，而這些研究樣本又來(lái)自于不同發(fā)育階段的不同物種?，F階段，研究者迫切需要將這些數據進(jìn)行整合，以更好的展示出各部分如何組合并形成統一的、多層次的研究體系。
生物學(xué)和信息通信技術(shù)的不斷融合給了我們實(shí)現這個(gè)偉大目標的機會(huì )。新的基因測序和成像技術(shù)、新的顯微鏡觀(guān)測技術(shù)使我們觀(guān)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療機構的數據進(jìn)行高效整合。神經(jīng)信息學(xué)為我們提供了更先進(jìn)的數據分析方法，幫助我們構建無(wú)比詳盡的大腦圖譜并進(jìn)行共享，鑒定別我們各自的知識缺陷和盲點(diǎn)，并在實(shí)驗數據缺失時(shí)通過(guò)技術(shù)手段對參數值進(jìn)行預測。而對于大腦龐大且復雜的生理細節，超級計算機的出現也使得建立和模擬各種大腦模型成為可能。
這些技術(shù)將加速我們對大腦的理解，也能在另外兩個(gè)領(lǐng)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(huì )的更為先進(jìn)的計算技術(shù)。
二、大腦研究的新基礎
HBP追求四大目標，每一個(gè)目標都是以現有工作為基礎，并成為下一步研究的觸發(fā)點(diǎn)。
1、數據
采集篩選過(guò)的、必要的戰略數據來(lái)繪制人腦圖譜并設計人腦模型，同時(shí)吸引項目外的研究機構來(lái)貢獻數據。
當今的神經(jīng)認知學(xué)已經(jīng)積累了海量實(shí)驗數據，大量原創(chuàng )研究帶來(lái)了層出不窮的新發(fā)現。即便如此，構建多層次大腦圖譜和統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(wù)是采集和描述篩選過(guò)的、有價(jià)值的戰略數據，而不是進(jìn)行漫無(wú)目的的搜尋。HBP-PS定義了數據研究的三個(gè)重點(diǎn)：
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(lèi)動(dòng)物。因此，對老鼠大腦組織的不同層級間關(guān)系的系統研究將會(huì )為人腦圖譜和模型提供關(guān)鍵參考。
2)人腦的多層級結構。老鼠大腦的研究數據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別。為了定義和解釋這些區別，HBP的研究團隊應采集關(guān)于人類(lèi)大腦的戰略數據，并盡可能積累到已有的老鼠大腦數據的規模，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(huì )把三分之一的研究重點(diǎn)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(lèi)物種同樣具備的簡(jiǎn)單行為一直到人類(lèi)特有的高級技能(例如語(yǔ)言)。
2、理論
定義數學(xué)模型，解釋不同大腦組織層級與它們在實(shí)現信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內在關(guān)系。
如果缺乏統一、可靠的理論基礎，我們很難解決神經(jīng)科學(xué)在數據和研究方面碎片化的問(wèn)題。因此，HBP應包含一個(gè)專(zhuān)注于研究數學(xué)原理和模型的理論研究協(xié)調機構，這些模型用來(lái)解釋大腦不同組織層級與它們在實(shí)現信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內在關(guān)系。作為這個(gè)協(xié)調機構的一部分，HBP應建立一個(gè)開(kāi)放的“歐洲理論神經(jīng)科學(xué)研究機構”(European Institute for Theoretical Neuroscience)，以吸引更多項目外的優(yōu)秀科學(xué)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，為神經(jīng)認知學(xué)家、臨床研究者和技術(shù)開(kāi)發(fā)者提供服務(wù)以提高研究效率。
HBP的第三個(gè)目標是建立一個(gè)匯集多個(gè)ICT平臺的統一技術(shù)系統，其具備充分的技術(shù)潛力來(lái)應對一種全新的基于ICT的人腦研究任務(wù)。我們建議組建六大平臺，神經(jīng)信息系統、人腦模擬系統、醫療信息系統、高性能計算系統、神經(jīng)形態(tài)計算系統和神經(jīng)機器人學(xué)系統。
1)神經(jīng)信息系統。HBP的神經(jīng)信息平臺將為神經(jīng)科學(xué)家提供有效的技術(shù)手段，使他們更加容易的對人腦結構和功能數據進(jìn)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(xué)的各種工具，這有助于對描述大腦組織不同層級間的數據進(jìn)行分析并發(fā)現其中的統計性規律，也有助于對某些參數值進(jìn)行估計，而這些值很難通過(guò)自然實(shí)驗得出。在此前的研究中，數據和知識的缺乏往往成為我們系統認識大腦的一個(gè)重要障礙，而上述技術(shù)工具的出現使這一難題迎刃而解。
2)人腦模擬系統。HBP會(huì )建立一個(gè)足夠規模的人腦模擬平臺，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(wèn)題。該平臺將在整個(gè)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(lèi)的大腦模型中匯總出大量且多樣的數據來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。這使“計算機模擬實(shí)驗”成為可能，而在只能進(jìn)行自然實(shí)驗的傳統實(shí)驗室中是無(wú)法做到這一點(diǎn)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中的醫學(xué)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(wù)的神經(jīng)回路模型)至關(guān)重要。
3)高性能計算系統。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(jìn)的百億億次級超級計算技術(shù)，還具備全新的交互計算和和可視化性能。
4)醫療信息系統。HBP的醫療信息系統需要匯集來(lái)自醫院檔案和私人數據庫的臨床數據(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(guān)鍵突破點(diǎn)。一旦研究者擁有了客觀(guān)的、有生物學(xué)基礎的疾病探測和分類(lèi)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。HBP的神經(jīng)形態(tài)計算平臺將為研究者和應用開(kāi)發(fā)者提供他們所需的硬件和設計工具來(lái)幫助他們進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)，同時(shí)還會(huì )提供基于大腦建模多種設備及軟件原型。借助此平臺，開(kāi)發(fā)者能夠開(kāi)發(fā)出許多緊湊的、低功耗的設備和系統，而這些正在逐漸接近人類(lèi)智能。
6)神經(jīng)機器人系統。HBP的神經(jīng)機器人平臺為研究者提供開(kāi)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(lèi)和動(dòng)物的自然實(shí)驗來(lái)獲取研究結論。該系統為神經(jīng)認知學(xué)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(shù)角度來(lái)說(shuō)，該平臺也將為開(kāi)發(fā)者提供必備的開(kāi)發(fā)工具，幫助他們開(kāi)發(fā)一些有接近人類(lèi)潛質(zhì)的機器人，而以往的此類(lèi)研究由于缺乏這個(gè)“類(lèi)大腦”化的中央控制器，這個(gè)目標根本無(wú)法實(shí)現。
4、應用
HBP的第四個(gè)主要目標是可以成功的體現出為神經(jīng)認知學(xué)基礎研究、臨床科研和技術(shù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)的各種實(shí)用價(jià)值。
——統一的知識體系原則。本項目中的“人腦模擬系統”和“神經(jīng)機器人系統”會(huì )對負責具體行為的神經(jīng)回路進(jìn)行詳盡解釋?zhuān)芯空呖衫盟鼈儊?lái)實(shí)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(jià)模型。并最終得到一個(gè)可以將人類(lèi)與動(dòng)物從本質(zhì)上區分開(kāi)來(lái)的人腦模型，例如，該模型可以表現出人類(lèi)的語(yǔ)言能力。這些模型將使我們對大腦的認識發(fā)生質(zhì)的變化，并且可以立即應用于具體的醫療和技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
——對大腦疾病的認識、診斷和治療。研究者可充分使用醫療信息系統、神經(jīng)形態(tài)計算系統和人腦模擬系統來(lái)發(fā)現各種疾病演變過(guò)程中的生物簽名，并對這些過(guò)程進(jìn)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出HBP項目的實(shí)用價(jià)值。新診斷技術(shù)在疾病還未造成不可逆的危害前，就能提前對其進(jìn)行診斷，并針對每位患者的實(shí)際情況研發(fā)相應的藥物和治療方案，實(shí)現“個(gè)人定制醫療”，這將最終有利于患者治療并降低醫療成本。對疾病更好的了解和診斷也會(huì )優(yōu)化藥物研發(fā)進(jìn)程，更好的篩選藥物測試候選人和臨床測試候選人，這無(wú)疑有益于提高后期的實(shí)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(lái)計算技術(shù)。研究者可以利用HBP的高性能計算系統、神經(jīng)形態(tài)計算系統和神經(jīng)機器人平臺來(lái)開(kāi)發(fā)新興的計算技術(shù)和應用。高性能計算平臺將會(huì )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(xué)工具的混合技術(shù)。借助神經(jīng)形態(tài)計算系統和神經(jīng)機器人平臺，研究者打造出極具市場(chǎng)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(wù)機器人，它們雖然看起來(lái)不顯眼，但卻具備強大的技術(shù)能力，包括數據挖掘、機動(dòng)控制、、視頻處理和成像以及信息通信等。
三、社會(huì )倫理
考慮到HBP的研究和技術(shù)帶來(lái)的巨大影響，該項目會(huì )組建一個(gè)重要的社會(huì )倫理小組，來(lái)資助針對HBP項目對社會(huì )和經(jīng)濟造成的潛在影響的學(xué)術(shù)研究，該小組會(huì )在倫理觀(guān)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(huì )責任感，其首要任務(wù)是在具有不同方法論和價(jià)值觀(guān)的利益相關(guān)者和社會(huì )團體之間展開(kāi)積極對話(huà)。
四、項目的三大階段
HBP將持續十年，分為三個(gè)重要階段。
最初兩年半(“ramp-up” phase，上升期)，HBP將專(zhuān)注于ICT平臺初始版本的建立，并為該平臺收集篩選過(guò)的戰略數據。此階段結束時(shí)，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(lái)四年半(“operational phase”，運營(yíng)期)，項目會(huì )加強戰略數據的收集以及平臺新功能的補充，同時(shí)也會(huì )積極展示該ICT平臺在神經(jīng)人認知學(xué)的基礎研究、醫療應用和未來(lái)計算技術(shù)方面的重大價(jià)值。
最后三年(“sustainability phase”，穩定期)，項目會(huì )繼續上個(gè)階段的工作并努力實(shí)現自負盈虧——讓這個(gè)平臺上創(chuàng )造出來(lái)的功能和知識成為歐洲科學(xué)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(wàn)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(yíng)
HBP將是一個(gè)持續十年的龐大的跨學(xué)科的研究項目，包含了來(lái)自二十多個(gè)國家的合作方，且耗資巨大。因此，我們經(jīng)營(yíng)管理機制必須具備強大且靈活的領(lǐng)導力，保證ICT平臺真正變成一個(gè)共同體資源來(lái)共享和合作。HBP合作方建立監督機制，各類(lèi)監督活動(dòng)也會(huì )貫穿項目始終。希望接入ICT平臺的研究項目必須經(jīng)過(guò)完備的競爭和篩選過(guò)程，而且此過(guò)程會(huì )向全球科學(xué)界進(jìn)行公開(kāi)。
七、HBP的影響
HBP將極大加速人類(lèi)對人腦結構和功能的全面理解，有助于人類(lèi)更好的研究大腦疾病并發(fā)現更加優(yōu)化的治療方案，也會(huì )幫助人類(lèi)開(kāi)發(fā)基于人腦機理的革命性的信息通信技術(shù)。
從對科學(xué)研究的影響來(lái)說(shuō)，HBP收集的數據以及ICT提供的各種技術(shù)手段將幫助我們克服之前神經(jīng)科學(xué)研究碎片化的問(wèn)題，為我們深入了解大腦結構和功能之間的關(guān)系提供了全新的視角。該項目將使研究者有機會(huì )解開(kāi)當今神經(jīng)認知領(lǐng)域的諸多研究難題，包括大腦的學(xué)習和記憶，神經(jīng)編碼原理，甚至是人類(lèi)感覺(jué)和意識的神經(jīng)原理。
HBP也會(huì )給醫學(xué)帶來(lái)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(jìn)步也會(huì )產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。降低藥物研發(fā)成本、提高藥物成功率也會(huì )使制藥產(chǎn)業(yè)獲益良多。核心模型和技術(shù)由歐洲研究者和機構開(kāi)發(fā)出來(lái)，這將極大提高歐洲制藥產(chǎn)業(yè)在全球腦部疾病新藥領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢，而該領(lǐng)域的市場(chǎng)潛力巨大。
通過(guò)將大腦研究整合至ICT平臺，HBP將有足夠的話(huà)語(yǔ)權來(lái)決定計算機技術(shù)的未來(lái)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(shù)會(huì )更多的為產(chǎn)業(yè)和消費者服務(wù)，開(kāi)始一個(gè)良性循環(huán)，需求增長(cháng)導致規模效應和成本下降，而成本的下降會(huì )進(jìn)一步刺激需求，使超級計算機等技術(shù)能夠更加廣泛的應用于產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界。這些功能需要先進(jìn)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(xué)方面的研究工作會(huì )促使低功耗系統加速發(fā)展，以逐漸接近人類(lèi)水平。雖然這些技術(shù)不會(huì )取代過(guò)去50年驅動(dòng)歐洲發(fā)展的傳統計算機技術(shù)，但它們深具潛力的應用范圍和戰略意義也同樣重要。HBP如果可以在此領(lǐng)域占據領(lǐng)先地位，則將會(huì )對保持歐洲在世界經(jīng)濟中的競爭地位起到關(guān)鍵作用。
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