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腦科學計畫

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理解大腦的運作方式可以說是當今時代最大的科學挑戰之一。
“
”
–Alivisatos 等人.[1]

腦科學计划（BRAIN Initiative），是由奥巴马政府于2013年4月2日宣布的一项合作性、公私合营的研究计划，其目的在於支持創新技術的開發和應用，從而對腦功能有動態的理解。 [2] [3] [4] [5] [6]

這項活動是重大挑戰，目的在於徹底改變我們對人腦的理解 ，由白宫科学技术政策办公室（OSTP）发起 ，是白宫神经科学计划的一部分。[7] 受人类基因组计划启发，BRAIN打算協助研究人员揭開脑部疾病的神祕面紗，例如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、抑郁症和創傷性腦傷 （TBI）。

BRAIN的参与者及该计划的成员包括DARPA和IARPA，以及众多美国、澳大利亚、加拿大和丹麦的私人公司、大学和其他组织。[8]

背景

“腦科學计划”受到了许多因素影响，这些影响可以追溯到十年前，包括：在美国国立卫生研究院(NIH)的计划会议，该会议產生了NIH的神经科学研究蓝图； [9]在国家科学基金会（NSF）举办的关于认知 、神经科学和融合科学的研讨会，該研讨会报告了像是2006年的「思维和大脑的巨大挑战」；[10] 国家研究委员会和医学研究所神经科学与神经系统疾病论坛的报告，像是在2008年6月25日关于神經科學大挑戰的研討會報告「从分子到思维：21世纪的挑战」；[11]再加上多年來科學家和專業協會的研究報告，還有國會對此議題的興趣。

一项重要的活动是「大脑活动图譜计划」。 2011年9月，卡夫里基金会（Kavli Foundation）的分子生物学家Miyoung Chun，于伦敦组织了一次会议，科学家首次提出了这一计划的想法。 [4] [12] 在随后的会议上，来自美国政府实验室的科学家，包括科学技术政策办公室成员，霍华德·休斯医学研究所和艾伦脑科学研究所的科学家，以及Google、微軟和高通的代表，都讨论了实现這項政府主導计划的可能性。 [2]

其他影响還包括：由NSF生物科学的助理主任James L. Olds领导的跨学科「心智的十年」计划，[13] [14]以及在DARPA由杰弗里·灵 （ Geoffrey Ling）领导的「義肢革新计划」(Revolutionizing Prosthetics)，並曾於2009年4月的60分钟節目中播出[15]

[16]

美國國立衛生研究院主任弗朗西斯·柯林斯博士和巴拉克·奧巴馬總統宣布了“腦科學计划”

实验方法

新闻报道称，这项研究将绘制老鼠和其他动物神经元活动的动态图[3]，最终绘制出人脑中数百亿神经元的图谱。 [17]

在2012年的科学评论中，概述了一个更受限项目的实验计划，Alivisatos等人提出了各種特定實驗技術，可以用來實現所謂「功能连接組」以及过程中必须开发的新技术。 [1] 他们指出，由于秀丽隐杆线虫的神经回路相对简单，因此可能先对其进行研究，然后对果蝇进行研究。中期研究可以在斑马鱼 ， 老鼠和小臭鼩中进行，而研究最终将在灵长類和人类中进行。 他们擬議發展可以用作电压传感器 （可检测单个动作电位）的纳米颗粒，以及可用作电生理多电极阵列的纳米探针。特别是，他们提倡使用无线、非侵入性的神经元活动检测方法，或利用微电子超大规模集成電路 ，或是基于合成生物学而非微电子技术。 其中有個方法建議，酶促使产生的DNA可作為神经元活动的“滴定磁帶記錄” ，這是基于钙离子所诱导的DNA聚合酶[18]编码错误[1][19] ，其数据将透過大规模计算进行分析和建模。 [1]另一项相关技术則建議，使用高通量DNA测序技术來快速绘制神经连通性的图谱。 [20]

時間軸

工作组在2014年提出的時間軸是： [21]

  • 2016–2020：技术开发和验证
  • 2020年至2025年：以整合的方式应用这些技术，以取得有关大脑的基础性新发现

反应

科学家们对该计划提出了不同的看法。 神经科学家John Donoghue表示，该项目将填补神经科学研究在兩個方面之間的空白，一方面是使用fMRI等方法在大脑区域水平进行活动测量，另一方面是在单细胞紀錄水平进行测量。 [3] 然而，心理学家埃德·沃尔（Ed Vul）對此表示擔憂，他認為這項計劃將會分散个人研究者的研究资金。 [3]神经科学家唐纳德·斯坦因（Donald Stein）表示担心，在确切知道要测量的内容之前，先将钱花在技术方法上是错误的。 [4] 相反，物理学家迈克尔·鲁克斯 （ Michael Roukes）則認為，纳米技术的方法已经变得足够成熟，到了可以繪製大脑活动图譜的合适时机。 [4]神经科学家RodolfoLlinás在第一次洛克菲勒会议上宣布：“這裡所發生的一切是偉大的，我從未見過神經科學領域在一個如此光榮的目標下如此團結。” [22]

这個项目面临巨大的后勤挑战。 神经科学家估计，该项目每年将产生300EB的数据，这是一个重大的技术障碍。[23] 現在可用的高分辨率脑活动监测器大多是有限度地使用，這是因为必须打开颅骨，以外科方式将监测器植入。[23]该计划與过去政府主导的大规模研究工作有著相似之處，包括人类基因组图譜、登月航行和原子弹计划。[2]

参见

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 Alivisatos, A. Paul; Chun, Miyoung; Church, George M.; Greenspan, Ralph J.; Roukes, Michael L.; Yuste, Rafael. The Brain Activity Map Project and the Challenge of Functional Connectomics (PDF). Neuron. June 2012, 74 (6): 970–974 [February 22, 2013]. PMC 3597383 可免费查阅. PMID 22726828. doi:10.1016/j.neuron.2012.06.006. （原始内容存档 (PDF)于2013-02-28）. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Markoff, John. Obama Seeking to Boost Study of Human Brain. New York Times. February 18, 2013 [February 18, 2013]. （原始内容存档于2022-02-17）. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Szalavitz, Maia. Brain Map: President Obama Proposes First Detailed Guide of Human Brain Function. Time. February 19, 2013 [February 19, 2013]. （原始内容存档于2020-12-04）. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 Markoff, John; Gorman, James. Obama to unveil initiative to map the human brain. New York Times. April 2, 2013 [April 2, 2013]. （原始内容存档于2021-05-02）. 
  5. ^ Fox, Maggie. White House pitches brain mapping project. NBC News. April 2, 2013 [April 2, 2013]. （原始内容存档于2020-08-04）. 
  6. ^ Fact Sheet: BRAIN Initiative. White House Office of the Press Secretary. April 2, 2013 [April 2, 2013]. （原始内容存档于2015-07-11）. 
  7. ^ White House Neuroscience Initiative. whitehouse.gov. US Government. [7 May 2015]. （原始内容存档于2016-12-11）. 
  8. ^ Participants. The BRAIN Initiative. [2019-09-29]. （原始内容存档于2021-11-12）. 
  9. ^ NIH Blueprint for Neuroscience Research. nih.gov. National Institutes of Health. [7 May 2015]. （原始内容存档于2022-02-17）. 
  10. ^ NSF Report on Grand Challenges of Mind and Brain. NSF publication. NSF. [9 May 2015]. （原始内容存档于2020-09-20）. 
  11. ^ Workshop on Grand Challenges in Neuroscience. Institute of Medicine. National Academies of Science. [9 May 2015]. （原始内容存档于21 February 2011）. 
  12. ^ Johnson, Carolyn. Local Scientists on Brain Mapping Dream Team Reflect on Challenges, Opportunity. Boston Globe. April 5, 2013 [April 11, 2013]. （原始内容存档于2016-08-17）. 
  13. ^ Olds, James L. For an International Decade of the Mind. The Malaysian Journal of Medical Studies. Apr–Jun 2011, 18 (2): 1–2. PMC 3216206 可免费查阅. PMID 22135580. 
  14. ^ NSF Selects James Olds to head Biological Science Directorate. NSF.gov. NSF. [9 May 2015]. （原始内容存档于2021-03-21）. 
  15. ^ The Pentagon's Bionic Arm. cbsnews.com. CBS News. [9 May 2015]. （原始内容存档于2020-11-24）. 
  16. ^ BRAIN Grand Challenges Conference. IEEE EMBS. IEEE. [9 May 2015]. （原始内容存档于2015-12-03）. 
  17. ^ Human brains average 86 billion neurons by a recent estimate. Source: How many neurons make a human brain? Billions fewer than we thought （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Notes & Theories. The Guardian. Feb 28, 2012.
  18. ^ Zamft, Bradley Michael; Marblestone, Adam H.; Kording, Konrad; Schmidt, Daniel; Martin-Alarcon, Daniel; Tyo, Keith; Boyden, Edward S.; Church, George. Measuring Cation Dependent DNA Polymerase Fidelity Landscapes by Deep Sequencing. PLOS ONE. August 2012, 7 (8): e43876 [February 27, 2013]. PMC 3425509 可免费查阅. PMID 22928047. doi:10.1371/journal.pone.0043876. （原始内容存档于2014-11-15）. 
  19. ^ Kording, Konrad. Of Toasters and Molecular Ticker Tapes. PLOS Computational Biology. December 2011, 7 (12): e1002291 [February 27, 2013]. PMC 3248391 可免费查阅. doi:10.1371/journal.pcbi.1002291. （原始内容存档于2015-01-02）. 
  20. ^ Zador, Anthony M.; Dubnau, Joshua; Oyibo, Hassana K.; Zhan, Huiqing; Cao, Gang; Peikon, Ian D. Sequencing the Connectome. PLoS Biology. 2012, 10 (10): e1001411. PMC 3479097 可免费查阅. PMID 23109909. doi:10.1371/journal.pbio.1001411. 
  21. ^ NIH embraces bold, 12-year scientific vision for BRAIN Initiative. National Institutes of Health (NIH). 16 July 2015 [2019-09-29]. （原始内容存档于2021-10-13）. 
  22. ^ WadmanSep. 20, Meredith. Big dreams emerge for big brain science projects. Science | AAAS. 2016-09-20 [2019-05-22]. （原始内容存档于2021-01-20） （英语）. 
  23. ^ 23.0 23.1 Markoff, John. Connecting the Neural Dots. New York Times. February 26, 2013 [February 27, 2013]. （原始内容存档于2021-05-06）. 

扩展阅读

  1. doi:10.1038/s41592-018-0210-0 "The impact of the NIH BRAIN Initiitve", Nature Methods editorial, November 2018.

外部链接

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