详细解读欧洲人脑计划-国土报中文版

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作者说明:2013年，欧盟人脑项目被选为欧盟未来的旗舰技术项目，获得了10亿欧元的资金支持，成为世界上最重要的人脑研究项目。目前，没有必要重复人脑研究的重要性和意义。关于人工智能和神经认知的讨论在中国越来越多，但很简单。欧盟人脑项目的推出只是几个简短的新闻稿，而百度脑的出现只吸引了一些关注。因此，笔者希望通过对欧盟人脑项目的详细描述，为关注这一领域的研究机构、互联网公司和爱好者提供一些实践参考和启示。同时，我也想让大家感受一下，在我们还在娱乐“超级大脑”的时候，国外对人脑研究的重视和实施有多深。也许我们在未来仍能看到熟悉的景象:在流水线上加工廉价的大脑硬件的同时，我们高兴地谈论着国外的大脑技术是如何超乎想象和令人兴奋。就像我们今天谈论电脑、互联网和iphone一样。

详细解读欧洲人脑计划

理解人脑是21世纪科学领域最重要的挑战之一。如果我们能很好地处理这个问题，我们就能更好地理解大脑原理，开发新的脑部疾病治疗方法，并建立一套新的革命性的信息和通信技术(ict)。

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本文摘自《人类大脑项目执行报告》，该报告认为，信息和通信技术与生物学的结合已经达到了一个奇点——它可以将我们掌握人类大脑的梦想变成现实。正是这种可行性促使研究人员启动了六溴环十二烷预研究项目，该项目由欧盟资助，持续了一年。来自神经认知科学、医学和计算科学的300多名专家聚集在一起，开发一种新的信息和通信技术，以更好地研究大脑，并在此基础上进行各种应用。2013年，该项目被选为欧盟未来的旗舰技术项目(以下简称fet，另一个项目是石墨烯)，并将在十年内获得欧盟委员会10亿欧元的资金支持。

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一、项目背景和总结

研究人员发现，我们在大脑研究过程中面临的最大障碍是各种大脑研究工作和产生的数据的碎片化。目前，神经认知科学领域的研究成果丰硕，但缺乏系统性。它获得的许多数据描述了大脑许多区域不同生理组织的不同水平，这些研究样本来自处于不同发育阶段的不同物种。在这个阶段，研究人员迫切需要整合这些数据，以更好地展示各个部分是如何结合在一起，形成一个统一的、多层次的研究体系。

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生物学与信息和通信技术的不断融合给了我们实现这一伟大目标的机会。新的基因测序和成像技术以及新的显微镜观察技术彻底改变了我们观察大脑的方式。借助互联网和云计算，我们可以轻松高效地整合分布在世界各地的研究机构和医疗机构的数据。神经信息学为我们提供了更先进的数据分析方法，帮助我们建立和共享无比详细的脑地图，识别我们自己的知识缺陷和盲点，并在实验数据缺失时通过技术手段预测参数值。对于大脑庞大而复杂的生理细节，超级计算机的出现使得构建和模拟各种大脑模型成为可能。

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这些技术将加速我们对大脑的理解，并在另外两个领域激励我们。一是针对脑部疾病的新的防治方法；第二，可以改变工业、经济和社会的更先进的计算技术。

第二，大脑研究的新基础

Hbp追求四个目标，每个目标都基于现有的工作，并成为下一步研究的触发点。

1.数据

收集筛选出的必要战略数据，绘制人脑地图，设计人脑模型，并吸引项目外的研究机构贡献数据。

如今，神经认知科学积累了大量的实验数据，大量的原创性研究带来了无尽的新发现。即便如此，构建多层次大脑地图和统一大脑模型所需的大部分核心知识仍然缺失。因此，hbp的首要任务是收集和描述经过筛选的有价值的战略数据，而不是漫无目的地搜索。Hbp-ps定义了数据研究的三个关键点:

1)小鼠大脑的多层结构。先前的研究表明，小鼠大脑的研究结果也适用于所有哺乳动物。因此，系统研究小鼠脑组织不同层次之间的关系将为人脑图谱和模型提供重要参考。2)人脑的多层次结构。在一定程度上，小鼠脑的研究数据可以为人脑的研究提供重要的参考，但两者之间显然存在着根本的差异。为了定义和解释这些差异，哈佛商学院的研究团队应该收集关于人脑的战略数据，并尽可能多地将其积累到现有的老鼠大脑数据中进行比较。3)人脑功能和神经元结构。理解大脑结构和大脑功能之间的关系是哈佛商学院的重要目标之一。Hbp将把三分之一的研究重点放在负责特定认知和行为技能的神经元结构上，从其他非人类物种拥有的简单行为到人类特有的高级技能(如语言)。

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2.理论

定义数学模型来解释不同脑组织层次之间的内在关系及其信息获取、信息描述和信息存储的功能。

没有统一可靠的理论基础，我们很难解决神经科学中的数据和研究碎片化问题。因此，hbp应包括一个理论研究协调组织，侧重于研究数学原理和模型，用于解释不同脑组织层次之间的内在关系及其信息获取、信息描述和信息存储的功能。作为这个协调机构的一部分，哈佛商学院应该建立一个开放的“欧洲理论神经科学研究所”，以吸引更多项目外的杰出科学家参与其中，并充当创新研究的孵化器。

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3.ict平台

建立全面的ict平台系统，为神经认知科学家、临床研究人员和技术开发人员提供服务，提高研究效率。

hbp的第三个目标是建立一个整合多种ict平台的统一技术系统，该系统具有足够的技术潜力来应对一项新的基于ict的人脑研究任务。我们建议建立六个平台:神经信息系统、人脑模拟系统、医学信息系统、高性能计算系统、神经形态学计算系统和神经机器人系统。

1)神经信息系统。Hbp的神经信息平台将为神经科学家提供有效的技术手段，使他们更容易分析人脑结构和功能的数据，并绘制出人脑多层次的导航方向图。该平台还包含神经预测信息学的各种工具，有助于分析描述脑组织不同层次的数据，找出统计规律，也有助于估计一些自然实验难以获得的参数值。在以往的研究中，数据和知识的缺乏往往成为我们系统理解大脑的一个重要障碍，而上述技术工具的出现解决了这个问题。

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2)人脑模拟系统。Hbp将建立一个大规模的人脑模拟平台，旨在建立和模拟多层次、多维度的人脑模型，以处理各种具体问题。该平台将在整个项目中发挥核心作用，为研究人员提供建模工具、工作流程和模拟器，并帮助他们从鼠标和人脑模型中总结大量不同的数据用于动态模拟。这使“计算机模拟实验”成为可能，但它不能在只能进行自然实验的传统实验室中进行。借助平台上的各种工具，可以生成各种输入值，这些输入值对于hbp中的医学研究(疾病模型和药物效应模型)、神经形态学计算(应用于神经形态学硬件的大脑模型)和神经机器人研究(应用于特定认知和行为任务的神经回路模型)非常重要。

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3)高性能计算系统。Hbp的超级计算平台将为构建和模拟人脑模型提供足够的计算能力。它不仅拥有先进的数百亿次超级计算技术，还拥有全新的交互式计算和可视化性能。

4)医疗信息系统。hbp的医疗信息系统需要从医院档案和私人数据库中收集临床数据(在严格保护患者信息安全的前提下)。这些功能帮助研究人员定义不同阶段疾病的“生物特征”，从而找到关键的突破点。一旦研究人员有了客观的、基于生物学的疾病检测和分类方法，他们就能更容易地找到疾病的根本原因，并据此制定有效的治疗方案。

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5)神经形态学计算系统。Hbp的神经形态计算平台将为研究人员和应用程序开发人员提供帮助他们开发系统所需的硬件和设计工具，还将提供基于大脑建模的各种设备和软件原型。有了这个平台，开发人员可以开发许多紧凑、低功耗的设备和系统，这些设备和系统正逐渐接近人类智能。

6)神经机器人系统。Hbp的神经机器人平台为研究人员提供了开发工具和工作流程，使他们能够将精细的人脑模型连接到虚拟环境中的模拟人体。以前，他们只能依靠人类和动物的自然实验来获得研究结论。该系统为神经认知科学家提供了一种全新的研究策略，帮助他们理解隐藏在行为下的大脑的各种多层次运作原理。从技术角度来看，该平台还将为开发人员提供必要的开发工具，帮助他们开发出具有接近人类潜能的机器人。然而，由于在以前的研究中缺乏这种“类似大脑”的中央控制器，这个目标根本无法实现。

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4.应用

hbp的第四个主要目标是成功体现神经认知科学的基础研究、临床研究和技术发展的各种实用价值。

——统一知识体系的原则。本项目中的“人脑模拟系统”和“神经机器人系统”将详细解释负责特定行为的神经回路，研究人员可以利用它们来实现特定的应用，如模拟基因缺陷的影响，分析不同水平脑组织中细胞减少的后果，以及建立药效评价模型。最后，我们得到了一个能够从本质上区分人类和动物的人脑模型。例如，这个模型可以显示人类的语言能力。这些模型将使我们对大脑的理解发生质的变化，并且可以立即应用于特定的医学和技术发展领域。

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-了解、诊断和治疗脑部疾病。研究人员可以充分利用医学信息系统、神经形态学计算系统和人脑模拟系统来发现各种疾病进化中的生物特征，并对这些过程进行深入分析和模拟，最终提出新的疾病防治方案。这项工作将充分体现hbp项目的实用价值。新的诊断技术可以在疾病造成不可逆转的危害之前提前进行诊断，并根据每位患者的实际情况制定相应的药物和治疗方案，从而实现“个性化定制医疗”，最终有利于患者的治疗，降低医疗成本。更好地了解和诊断疾病还将优化药物研发过程，更好地筛选药物试验候选人和临床试验候选人，这无疑将提高后续试验的成功率，降低新药研发成本(目前每种药物的研发成本约为10亿欧元)。

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-未来的计算技术。研究人员可以使用hbp的高性能计算系统、神经形态计算系统和神经机器人平台来开发新的计算技术和应用。高性能计算平台将为他们提供整合各种神经形态工具的超级计算资源和混合技术。借助于神经形态学计算系统和神经机器人平台，研究人员创造了具有巨大市场应用潜力的软件原型。这些原型包括家用机器人、制造机器人和服务机器人。尽管它们不显眼，但它们拥有强大的技术能力，包括数据挖掘、移动控制、视频处理和成像以及信息通信。

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第三，社会伦理

鉴于hbp研究和技术的巨大影响，该项目将成立一个重要的社会伦理小组，资助关于hbp项目对社会和经济潜在影响的学术研究。该小组将在伦理方面影响哈佛商学院的研究人员，管理和提高他们的伦理标准和社会责任，其主要任务是在具有不同方法和价值观的利益相关者和社会团体之间开展积极对话。

四.项目的三个主要阶段

Hbp将持续十年，分为三个重要阶段。

在头两年半的时间里(“升级”阶段)，hbp将重点建立ict平台的初始版本，并为该平台收集经过筛选的战略数据。在这个阶段的最后，ict平台可以被这个项目和这个项目之外的研究人员正常使用。

在接下来的四年半时间里(“运营阶段”)，该项目将加强战略数据的收集，补充平台的新功能，同时将积极展示ict平台在神经认知科学的基础研究、医学应用和未来计算技术方面的巨大价值。

在过去三年中(“可持续发展阶段”)，该项目将继续前一阶段的工作，并努力实现自筹资金——让在该平台上创建的功能和知识成为欧洲科学研究和工业发展的永久资产。

V.费用

据估计，hbp的总投资将接近11.9亿欧元，其中第一阶段8000万欧元，第二阶段6.73亿欧元，第三阶段4.37亿欧元。

六.高压氧舱的管理和运行

Hbp将是一个持续十年的大型跨学科研究项目，涉及来自20多个国家的合作伙伴，耗资巨大。因此，我们的管理机制必须有强有力和灵活的领导，以确保ict平台真正成为一个共享和合作的社区资源。Hbp合作伙伴建立监督机制，各种监督活动将贯穿整个项目。希望进入信通技术平台的研究项目必须经过一个完整的竞争和筛选过程，这一过程将对全球科学界开放。

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七、hbp的影响

Hbp将极大地促进人类对人脑结构和功能的全面了解，帮助人类更好地研究脑部疾病，找到更优化的治疗方案，也帮助人类发展基于人脑机制的革命性信息和通信技术。

就对科学研究的影响而言，hbp收集的数据和ict提供的各种技术手段将有助于我们克服以往神经科学研究的碎片化问题，并为我们深入理解大脑结构和功能之间的关系提供一个新的视角。该项目将为研究人员解决神经认知领域的许多研究问题提供机会，包括大脑学习和记忆、神经编码原理，甚至人类感知和意识的神经原理。

Hbp还将对医学产生巨大影响，并加速新的诊断工具和治疗方法的开发。考虑到脑部疾病的高成本，即使是微小的进步也会带来巨大的经济和社会效益。降低药物研发成本和提高药物成功率也将有利于制药业。核心模型和技术由欧洲研究人员和机构开发，这将大大增强欧洲制药行业在全球脑疾病新药领域的竞争优势，市场潜力巨大。

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通过将大脑研究融入ict平台，hbp将有足够的发言权来决定计算机技术的未来发展方向。项目中使用的超级计算、人机交互和可视化、全方位模拟和云计算等技术将为行业和消费者提供更多服务，并开始良性循环。需求增长将导致规模效应和成本降低，而成本降低将进一步刺激需求，从而使超级计算机和其他技术能够在工业和学术界得到更广泛的应用。这些功能需要先进的软件支持，欧洲在这方面有很强的竞争优势。

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