HBP人脑计划结果如何：欧洲投入6亿欧元利用计算机重建人脑？

为期十年的人脑计划将在九月份结束。《Nature》杂志审视了它的成就和动荡的过去。

来自人脑颞叶神经元回路的数字重建。来源：Nicolas Antille

人脑计划（Human Brain Project，HBP）历时长达10年，即将迎来圆满结束。这一庞大的科研项目汇聚了约500名科学家的智慧和耗资6亿欧元的巨额经费，是欧洲联盟资助的最大型研究计划之一。HBP的雄心壮志在于借助计算机模型的构建，深入理解人脑的奥秘。

项目执行期间，HBP的科学家们发表了数千篇论文，并在神经科学方面取得了重要突破，例如创建至少200个大脑区域的详细3D地图[1]，研发了用于治疗失明的脑植入物[2]，并使用超级计算机对记忆和意识等功能进行建模，并推进各种脑部疾病的治疗[3]。

“当项目开始时，几乎没有人相信大数据的潜力，以及使用大数据或超级计算机模拟脑部复杂功能的可能性，”欧洲委员会副主任Thomas Skordas在布鲁塞尔说。

然而，自从HBP启动以来，一直备受争议。该项目并没有实现模拟整个人类大脑的宏伟目标，这一目标被许多科学家认为是难以实现的。此外，该项目多次改变了研究方向，导致科研成果显得"零散和马赛克般"，如法国国家科研中心（CNRS）的研究主任Yves Frégnac在巴黎所言。对于他来说，HBP并没有提供对大脑的全面或原创性的理解。“我看不到整个大脑；我只看到了其中的一部分，”Frégnac表示。

HBP的主管们希望通过一个称为EBRAINS的虚拟平台 (https://www.ebrains.eu/)，进一步推动这一理解，这个平台是作为项目的一部分创建的。EBRAINS是一套工具和成像数据，可以供全球的科学家使用，用于进行模拟和数字实验。“今天，我们手头拥有所有必要的工具来构建一个真正的数字化大脑双胞胎，”法国艾克斯-马赛大学的神经科学家，也是HBP委员会成员的Viktor Jirsa说。

然而，这一领域的资金前景仍然不明朗。而且，尽管在其他地方巨大而昂贵的大脑项目正在全力以赴，但欧洲的科学家们却逐渐感到他们的项目正接近尾声，这让他们感到沮丧。“我们可能是最早引发对大脑兴趣的这一波浪潮之一，” 2019年加入HBP的阿姆斯特丹大学的计算神经科学家 Jorge Mejias表示。然而，他补充道：“现在，每个人都在赶时间，我们没有时间休息。”

曲折的历史

HBP的历程一直备受争议。在2013年启动时，该项目设定了关键目标之一，旨在开发工具和基础设施，以更深入地理解大脑及其功能、组织，以及进行基础和临床神经科学方面的项目。该项目当年获得资金的两个长期研究项目之一，目的是推动欧洲的产业发展，另一个项目则是研究石墨烯的潜力。

HBP最初被承诺将获得10亿欧元（约合11亿美元）的资金支持。然而，最终获得的资金为6.07亿欧元，其中包括来自欧盟的4.06亿欧元，这些资金分四个阶段释放，分配给在每个阶段竞争获得拨款的实验室（详见“人脑计划的发展过程”）。

然而，在第一年，HBP就遭遇了困难。创始人和前主任，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的神经科学家Henry Markram表示，HBP计划十年内在细胞水平上对人脑进行重建和模拟。Markram的言论引发了神经科学家的广泛怀疑。“在科学探索新领域时，争议是不可避免的，” Markram说。

这一宏大的目标可能有助于HBP获得资金支持，如英国剑桥大学的计算神经科学家Timothy O'Leary所言，他并不是HBP的一员。“如果没有一个非常雄心勃勃的目标，HBP是否会获得资金支持是不确定的。”

随着时间的推移，Markram的领导变得越来越不受欢迎。2014年，他和执行委员会的另外两名成员改变了项目的重点，削减了认知神经科学的大量研究，导致了18个实验室退出项目。Markram表示，各个部门的资金分配存在争议 (国际和国内也差不多~~~)。作为回应，超过150名科学家签署了一封抗议信，敦促欧洲委员会在第二轮资金拨款之前重新考虑HBP的目标。该信表示，HBP管理不善，并在科学方向上有所偏离。“显然，神经科学界的一些人不愿意在单一愿景下团结起来，”Markram说。

欧盟成立了一个独立的专家委员会，审查项目的运行情况并修订其科学目标。该委员会建议HBP重新评估并更明确地阐明其科学目标，以及重新将认知和系统神经科学纳入其核心计划。2015年2月，HBP的董事会投票解散了三人执行委员会，并用一个更大的董事会取而代之。

这一混乱使一些科学家对该项目感到担忧。“这种怀疑态度一直存在，” Mejias说。

与此同时，其他地区启动或加快了大型脑科学项目。美国和日本在与HBP大致同一时间启动了脑科学项目，美国将持续到2026年，日本希望运行15年。中国的脑科学项目于2021年启动，澳大利亚和韩国的项目都已进入第七年。

人脑的切片显示了连接不同区域的纤维结构。来源：Markus Axer and Katrin Amunts, INM-1, Forschungszentrum Jülich

HBP的戏剧性并没有随着执行委员会的撤换而结束。在2016年至2020年期间，该项目管理层发生了数次变动。与此同时，科学研究开始加速。2016年，由于项目的发展阶段，HBP推出了六个专门的运营平台，涵盖了脑模拟、高性能分析与计算以及神经机器人技术等领域。

这一想法是随着时间的推移将这六个领域整合起来，但最初它们“相当独立”，德国尤利希研究中心的神经科学家、HBP的科学研究主任Katrin Amunts说。“拥有如此庞大的项目意味着存在一个学习过程，不是一切从一开始就可以顺利进行的，”她说。

最精彩的亮点

除了管理层变动之外，HBP已经积累了一些重要且有用的科学成果。通过创建和整合大约200个大脑皮层和更深层脑结构的三维地图，HBP的科学家制作了人脑图谱，可以通过EBRAINS访问。该图谱展示了大脑的多层次组织，从其细胞和分子结构到其功能模块和连接性。

“人脑图谱有点像谷歌地图，但是用于大脑，” Amunts在2023年3月HBP峰会的新闻发布会上说。

该图谱使用了尸体解剖的脑数据生成了标准化的地图，考虑了不同个体之间的自然差异。使用这个图谱，HBP的科学家已经确定了额叶皮层中与记忆、语言、注意力和音乐处理相关的六个以前未知的脑区域[4]。此外，他们将其人脑图与位于华盛顿西雅图的艾伦脑科学研究所开发的艾伦人脑图谱中的基因表达数据进行了关联，该数据库描述了整个大脑中的神经元。通过这些成对的图谱，研究人员揭示了与抑郁症相关的基因表达变化与额叶皮层某一区域的结构和功能变化之间的关联[5]。

HBP的研究人员还开发了独特的算法，可以从显微镜图像构建大脑区域的全尺寸支架模型。使用这个工具，研究人员已经制作了海马的CA1区域（该区域对于记忆非常重要）的详细地图。这张地图包含大约500万个神经元和400亿个突触[6]。

HBP已经将一些研究成果转化为临床应用，使用大脑的个性化模型，也称为“数字孪生”（digital twins），来改善癫痫[3]和帕金森病[7]的治疗。数字孪生是对一个人大脑的数学表示，将个体的扫描与一个模型合并，Jirsa解释说。

Jirsa和他的同事于2019年6月启动了名为EPINOV的临床试验，以测试是否使用大脑扫描数据构建的数字模型可以帮助确定癫痫的发作源并提高癫痫手术的成功率。这是“在EBRAINS之外我无法做到的事情，”Jirsa说。

EPINOV试验已经在法国的11家医院招募了356名患者。Jirsa希望通过EBRAINS将试验的成像数据提供给其他研究人员。

HBP最初的项目计划包括开发模仿大脑的计算系统。HBP的科学家们为能够模拟大型类脑系统的神经网络做出了贡献，不管是用来测试大脑如何工作的想法，还是用来控制其他硬件，如机器人或智能手机[8]。

并非全貌

HBP的组织者和批评者都提到了贯穿整个项目的一个共同问题：分散性。这是神经科学研究中长期存在的问题。“我看到非常精明的应用，但你看不到多尺度的整合，也看不到正在解决的重大问题，”Frégnac说。

在项目的最后三年，HBP试图通过将其跨学科子项目的技术融合到EBRAINS中来克服分散性。HBP六个平台采取了各种措施，开始开发兼容的工具和共享的数据标准，一些团队也重新组织，以便集中处理特定的科学挑战，而不是学科。“还有很多工作要做。” Jirsa说，“神经机器人学与更具临床驱动力的团队仍然没有联系。”

HBP已经详细描述了人类大脑的解剖结构，并开发了将大脑结构和功能与基因表达联系起来的工具。来源：Mareen Fischinger

对于一些研究人员来说，HBP的科学成果的分散来源于缺乏焦点。“一个持续十多年的项目，我希望它能产生概念上的突破，” Fred Wolf说，他是德国哥廷根大学的理论神经生理学家，签署了那封公开信后离开了HBP。但对HBP来说，情况并非如此，他说。

巴黎综合神经科学与认知中心的神经科学家David Hansel并没有参与该项目，他表示，HBP的缺乏优先级和有限的合作意味着它未能充分利用其规模，也未能真正将神经科学界团结在一个共同的目标后面。“它没有一个要解决的重要且合理的问题清单。基本上，‘目标’就是理解大脑。”

美国国立卫生研究院位于马里兰州贝塞斯达的脑部研究通过推进创新的神经技术（BRAIN）计划的主任John Ngai认为，强调数据收集而不是假设驱动的科学是可以辩护的。“大型科学并不总是关于登月，尤其是当实现主要目标的步骤不确定时。”

遗产

在9月底，HBP将停止提供资金。虽然一些从该项目中产生的努力已经获得了继续工作的资助，但对于许多与HBP部分或完全合作过的研究人员来说，未来是不确定的。

但Amunts和其他人希望HBP的工作和EBRAINS平台将成为未来几年欧洲神经科学的基础。“对大脑的研究需要理解大脑的多层次和多尺度，” Amunts说。

2018年1月，HBP获得了5000万欧元的资金，其中包括2500万欧元来自欧盟，用于开发EBRAINS的交互式超级计算工具和数据存储服务。

研究人员已经使用该平台来观察大脑如何对刺激做出反应，例如开发类似大脑的机器人。Ngai说，HBP转向EBRAINS已经产生了一个有价值的工具。类似的平台在其他地方也存在，但它们缺乏EBRAINS所提供的规模和服务。

3月，欧洲委员会拒绝了保持EBRAINS运行所需的3800万欧元的申请，但在与HBP协商后，于6月重新开放了同样的资金申请，为团队提供了另一个申请的机会。如果申请失败，该平台将依靠私人资金和个别欧盟国家的财政支持。

与此同时，欧洲委员会正准备进行评估。该项目的最终评估将于11月开始，并预计将在2024年1月发布。“如果我们不希望在全球神经科学领域经历等同于人工智能寒冬，我们需要使其受到尊重。我们真的需要评估这种旗舰计划是否良好，”Frégnac说。

然而，HBP的结束并不意味着欧洲神经科学的结束，EBRAINS首席执行官兼HBP总干事Paweł Świeboda表示。

欧洲委员会和成员国正计划下一个阶段欧洲大脑健康研究，重点将放在使用个性化大脑模型来推进药物研发和改善脑部疾病的治疗。

但研究人员表示，未来的项目将需要避免困扰HBP的问题。“我们不想再做一个像最初那样的HBP，” O'Leary说。“我们需要支持小规模、专注的科学，以及雄心勃勃的综合性项目。”

最终，这个大型项目确实创建了一些关注共同的目标的科学家社群，他说。“这是一笔不朽的遗产。”

参考文献：

[1]. Amunts, K. et al. Science 369, 988–992 (2020).

[2]. Chen, X. et al. Science 370, 1191–1196 (2020).

[3]. Wang, H. E. et al. Sci. Transl. Med. 15, eabp8982 (2023).

[4]. Ruland, S. et al. Cortex 153, 235–256 (2022).

[5]. Bludau, S. et al. Am. J. Psychiatry 173, 291–298 (2016).

[6]. Gandolfi, D. et al. Nature Comput. Sci. 3, 264–276 (2023).

[7]. Meier, J. M. et al. Exp. Neurol. 354, 114111 (2022).

[8]. Yin, B. et al. Nature Mach. Intell. 5, 518–527 (2023).

阅读原文内容：

https://doi.org/10.1038/d41586-023-02600-x