作者注：歐盟人腦計劃于2013年入選了歐盟的未來旗艦技術(shù)項(xiàng)目，獲得了10億歐元的資金支持，也成為了全球范圍內(nèi)最重要的人類大腦研究項(xiàng)目。目前對于人類大腦研究的重要性和意義已無需贅述，國內(nèi)對人工智能和神經(jīng)認(rèn)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短的新聞稿，而“百度大腦”的出現(xiàn)也只是吸引了一下眼球而已。因此，筆者想通過對歐盟人腦計劃的詳細(xì)描述為關(guān)注這個領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)、互聯(lián)網(wǎng)公司和愛好者提供一些有實(shí)際意義的參考和靈感。同時，也想讓大家感覺一下，當(dāng)我們還在把“最強(qiáng)大腦”當(dāng)娛樂時，國外對人腦研究的重視和執(zhí)行已經(jīng)到了何種程度。或許在將來我們依然能看到那個熟悉的畫面：我們一邊在流水線上加工著廉價的大腦硬件，一邊幸福的談?wù)撝鴩獾娜四X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(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和iPhone一樣。
理解人類大腦是21世紀(jì)科學(xué)領(lǐng)域最重大的挑戰(zhàn)之一。如果我們能對此良好應(yīng)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 ，以下簡稱ICT）。
本文節(jié)選自HBP（人腦計劃，Human Brain Project，以下簡稱HBP）執(zhí)行報告，其認(rèn)為，信息通信技術(shù)和生物學(xué)的融合已經(jīng)到達(dá)了一個奇點(diǎn)——它可以將我們一直夢寐以求的掌握人類大腦變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。正是這種可行性促使研究者發(fā)起HBP的預(yù)研究項(xiàng)目（HBP-PS），預(yù)研究由歐盟資助，為期一年，300多名來自神經(jīng)認(rèn)知學(xué)、醫(yī)學(xué)和計算科學(xué)的專家集聚一堂來開發(fā)一種新的ICT以便更好的研究大腦并在此基礎(chǔ)上開展各種應(yīng)用。2013年，該項(xiàng)目入選了歐盟的未來旗艦技術(shù)項(xiàng)目（Future & Emerging Technologies，以下簡稱FET，另一個項(xiàng)目是石墨烯），將從歐盟委員會獲得10億歐元資金支持，為期十年。
一、項(xiàng)目背景和綜述
研究者發(fā)現(xiàn)在大腦研究過程中我們一直以來面臨的最大障礙是各項(xiàng)大腦研究工作及產(chǎn)生數(shù)據(jù)的碎片化。當(dāng)今的神經(jīng)認(rèn)知學(xué)領(lǐng)域的研究非常富有成效但缺乏系統(tǒng)性。它得到的眾多數(shù)據(jù)描述了大腦眾多區(qū)域內(nèi)不同生理組織的不同層次，而這些研究樣本又來自于不同發(fā)育階段的不同物種?，F(xiàn)階段，研究者迫切需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，以更好的展示出各部分如何組合并形成統(tǒng)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(xiàn)這個偉大目標(biāo)的機(jī)會。新的基因測序和成像技術(shù)、新的顯微鏡觀測技術(shù)使我們觀測大腦的方式發(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(jī)構(gòu)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析方法，幫助我們構(gòu)建無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(yàn)數(shù)據(jù)缺失時通過技術(shù)手段對參數(shù)值進(jìn)行預(yù)測。而對于大腦龐大且復(fù)雜的生理細(xì)節(jié)，超級計算機(jī)的出現(xiàn)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，也能在另外兩個領(lǐng)域給與我們啟發(fā)，一是針對大腦疾病全新預(yù)防和治療方式；二是能夠變革產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和社會的更為先進(jìn)的計算技術(shù)。
二、大腦研究的新基礎(chǔ)
HBP追求四大目標(biāo)，每一個目標(biāo)都是以現(xiàn)有工作為基礎(chǔ)，并成為下一步研究的觸發(fā)點(diǎn)。
1、數(shù)據(jù)
采集篩選過的、必要的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)來繪制人腦圖譜并設(shè)計人腦模型，同時吸引項(xiàng)目外的研究機(jī)構(gòu)來貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)。
當(dāng)今的神經(jīng)認(rèn)知學(xué)已經(jīng)積累了海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大量原創(chuàng)研究帶來了層出不窮的新發(fā)現(xiàn)。即便如此，構(gòu)建多層次大腦圖譜和統(tǒng)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的、有價值的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，而不是進(jìn)行漫無目的的搜尋。HBP-PS定義了數(shù)據(jù)研究的三個重點(diǎn)：
1）老鼠大腦的多層級結(jié)構(gòu)。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動物。因此，對老鼠大腦組織的不同層級間關(guān)系的系統(tǒng)研究將會為人腦圖譜和模型提供關(guān)鍵參考。
2）人腦的多層級結(jié)構(gòu)。老鼠大腦的研究數(shù)據(jù)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(qū)別。為了定義和解釋這些區(qū)別，HBP的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)采集關(guān)于人類大腦的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)，并盡可能積累到已有的老鼠大腦數(shù)據(jù)的規(guī)模，便于對比。
3）人腦功能和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。弄清大腦結(jié)構(gòu)和大腦功能之間的聯(lián)系是HBP的重要目標(biāo)之一。HBP會把三分之一的研究重點(diǎn)放在負(fù)責(zé)具體認(rèn)知和行為技能的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)上，從其他非人類物種同樣具備的簡單行為一直到人類特有的高級技能（例如語言）。
2、理論
定義數(shù)學(xué)模型，解釋不同大腦組織層級與它們在實(shí)現(xiàn)信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內(nèi)在關(guān)系。
如果缺乏統(tǒng)一、可靠的理論基礎(chǔ)，我們很難解決神經(jīng)科學(xué)在數(shù)據(jù)和研究方面碎片化的問題。因此，HBP應(yīng)包含一個專注于研究數(shù)學(xué)原理和模型的理論研究協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，這些模型用來解釋大腦不同組織層級與它們在實(shí)現(xiàn)信息獲取、信息描述和信息儲存功能之間的內(nèi)在關(guān)系。作為這個協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的一部分，HBP應(yīng)建立一個開放的“歐洲理論神經(jīng)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)”（European Institute for Theoretical Neuroscience），以吸引更多項(xiàng)目外的優(yōu)秀科學(xué)家參與其中，并充當(dāng)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(tǒng)，為神經(jīng)認(rèn)知學(xué)家、臨床研究者和技術(shù)開發(fā)者提供服務(wù)以提高研究效率。
HBP的第三個目標(biāo)是建立一個匯集多個ICT平臺的統(tǒng)一技術(shù)系統(tǒng)，其具備充分的技術(shù)潛力來應(yīng)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(tǒng)、人腦模擬系統(tǒng)、醫(yī)療信息系統(tǒng)、高性能計算系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和神經(jīng)機(jī)器人學(xué)系統(tǒng)。
1）神經(jīng)信息系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)和功能數(shù)據(jù)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(yù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)現(xiàn)其中的統(tǒng)計性規(guī)律，也有助于對某些參數(shù)值進(jìn)行估計，而這些值很難通過自然實(shí)驗(yàn)得出。在此前的研究中，數(shù)據(jù)和知識的缺乏往往成為我們系統(tǒng)認(rèn)識大腦的一個重要障礙，而上述技術(shù)工具的出現(xiàn)使這一難題迎刃而解。
2）人腦模擬系統(tǒng)。HBP會建立一個足夠規(guī)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(yīng)對各種具體問題。該平臺將在整個項(xiàng)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的大腦模型中匯總出大量且多樣的數(shù)據(jù)來進(jìn)行動態(tài)模擬。這使“計算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)”成為可能，而在只能進(jìn)行自然實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中是無法做到這一點(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(yī)學(xué)研究（疾病模型和藥物效果模型）、神經(jīng)形態(tài)計算（應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)硬件的大腦模型）、神經(jīng)機(jī)器人研究（應(yīng)用于具體認(rèn)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(tǒng)。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(yī)療信息系統(tǒng)。HBP的醫(yī)療信息系統(tǒng)需要匯集來自醫(yī)院檔案和私人數(shù)據(jù)庫的臨床數(shù)據(jù)（以嚴(yán)格保護(hù)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的、有生物學(xué)基礎(chǔ)的疾病探測和分類方法，他們將更容易找到疾病的根本起源，并相應(yīng)的研發(fā)出有效治療方案。
5）神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)。HBP的神經(jīng)形態(tài)計算平臺將為研究者和應(yīng)用開發(fā)者提供他們所需的硬件和設(shè)計工具來幫助他們進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，同時還會提供基于大腦建模多種設(shè)備及軟件原型。借助此平臺，開發(fā)者能夠開發(fā)出許多緊湊的、低功耗的設(shè)備和系統(tǒng)，而這些正在逐漸接近人類智能。
6）神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)。HBP的神經(jīng)機(jī)器人平臺為研究者提供開發(fā)工具和工作流，使他們可以將精細(xì)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和動物的自然實(shí)驗(yàn)來獲取研究結(jié)論。該系統(tǒng)為神經(jīng)認(rèn)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(yùn)作原理。從技術(shù)角度來說，該平臺也將為開發(fā)者提供必備的開發(fā)工具，幫助他們開發(fā)一些有接近人類潛質(zhì)的機(jī)器人，而以往的此類研究由于缺乏這個“類大腦”化的中央控制器，這個目標(biāo)根本無法實(shí)現(xiàn)。
4、應(yīng)用
HBP的第四個主要目標(biāo)是可以成功的體現(xiàn)出為神經(jīng)認(rèn)知學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床科研和技術(shù)開發(fā)帶來的各種實(shí)用價值。
——統(tǒng)一的知識體系原則。本項(xiàng)目中的“人腦模擬系統(tǒng)”和“神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)”會對負(fù)責(zé)具體行為的神經(jīng)回路進(jìn)行詳盡解釋，研究者可利用它們來實(shí)施具體應(yīng)用，例如模擬基因缺陷的影響、分析大腦不同層級組織細(xì)胞減少的后果，建立藥物效果評價模型。并最終得到一個可以將人類與動物從本質(zhì)上區(qū)分開來的人腦模型，例如，該模型可以表現(xiàn)出人類的語言能力。這些模型將使我們對大腦的認(rèn)識發(fā)生質(zhì)的變化，并且可以立即應(yīng)用于具體的醫(yī)療和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域。
——對大腦疾病的認(rèn)識、診斷和治療。研究者可充分使用醫(yī)療信息系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和人腦模擬系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)各種疾病演變過程中的生物簽名，并對這些過程進(jìn)行深入分析和模擬，最終得出新的疾病預(yù)防和治療方案。這項(xiàng)工作將充分體現(xiàn)出HBP項(xiàng)目的實(shí)用價值。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(yīng)的藥物和治療方案，實(shí)現(xiàn)“個人定制醫(yī)療”，這將最終有利于患者治療并降低醫(yī)療成本。對疾病更好的了解和診斷也會優(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，這無疑有益于提高后期的實(shí)驗(yàn)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）。
——未來計算技術(shù)。研究者可以利用HBP的高性能計算系統(tǒng)、神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)和神經(jīng)機(jī)器人平臺來開發(fā)新興的計算技術(shù)和應(yīng)用。高性能計算平臺將會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(tǒng)和神經(jīng)機(jī)器人平臺，研究者打造出極具市場應(yīng)用潛力的軟件原型。這些原型包括家庭機(jī)器人，制造機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人，它們雖然看起來不顯眼，但卻具備強(qiáng)大的技術(shù)能力，包括數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)動控制、、視頻處理和成像以及信息通信等。
三、社會倫理
考慮到HBP的研究和技術(shù)帶來的巨大影響，該項(xiàng)目會組建一個重要的社會倫理小組，來資助針對HBP項(xiàng)目對社會和經(jīng)濟(jì)造成的潛在影響的學(xué)術(shù)研究，該小組會在倫理觀念上影響HBP研究人員，管理和提升他們的倫理道德水平和社會責(zé)任感，其首要任務(wù)是在具有不同方法論和價值觀的利益相關(guān)者和社會團(tuán)體之間展開積極對話。
四、項(xiàng)目的三大階段
HBP將持續(xù)十年，分為三個重要階段。
最初兩年半（“ramp-up” phase，上升期），HBP將專注于ICT平臺初始版本的建立，并為該平臺收集篩選過的戰(zhàn)略數(shù)據(jù)。此階段結(jié)束時，ICT平臺能夠?yàn)楸卷?xiàng)目及項(xiàng)目外的研究者所正常使用。
接下來四年半（“operational phase”，運(yùn)營期），項(xiàng)目會加強(qiáng)戰(zhàn)略數(shù)據(jù)的收集以及平臺新功能的補(bǔ)充，同時也會積極展示該ICT平臺在神經(jīng)人認(rèn)知學(xué)的基礎(chǔ)研究、醫(yī)療應(yīng)用和未來計算技術(shù)方面的重大價值。
最后三年（“sustainability phase”，穩(wěn)定期），項(xiàng)目會繼續(xù)上個階段的工作并努力實(shí)現(xiàn)自負(fù)盈虧——讓這個平臺上創(chuàng)造出來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
HBP將是一個持續(xù)十年的龐大的跨學(xué)科的研究項(xiàng)目，包含了來自二十多個國家的合作方，且耗資巨大。因此，我們經(jīng)營管理機(jī)制必須具備強(qiáng)大且靈活的領(lǐng)導(dǎo)力，保證ICT平臺真正變成一個共同體資源來共享和合作。HBP合作方建立監(jiān)督機(jī)制，各類監(jiān)督活動也會貫穿項(xiàng)目始終。希望接入ICT平臺的研究項(xiàng)目必須經(jīng)過完備的競爭和篩選過程，而且此過程會向全球科學(xué)界進(jìn)行公開。
七、HBP的影響
HBP將極大加速人類對人腦結(jié)構(gòu)和功能的全面理解，有助于人類更好的研究大腦疾病并發(fā)現(xiàn)更加優(yōu)化的治療方案，也會幫助人類開發(fā)基于人腦機(jī)理的革命性的信息通信技術(shù)。
從對科學(xué)研究的影響來說，HBP收集的數(shù)據(jù)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)研究碎片化的問題，為我們深入了解大腦結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系提供了全新的視角。該項(xiàng)目將使研究者有機(jī)會解開當(dāng)今神經(jīng)認(rèn)知領(lǐng)域的諸多研究難題，包括大腦的學(xué)習(xí)和記憶，神經(jīng)編碼原理，甚至是人類感覺和意識的神經(jīng)原理。
HBP也會給醫(yī)學(xué)帶來重大影響，加速新診斷工具和治療方式的研發(fā)。考慮到大腦疾病的高額成本，即使很小的進(jìn)步也會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。降低藥物研發(fā)成本、提高藥物成功率也會使制藥產(chǎn)業(yè)獲益良多。核心模型和技術(shù)由歐洲研究者和機(jī)構(gòu)開發(fā)出來，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)域的市場潛力巨大。
通過將大腦研究整合至ICT平臺，HBP將有足夠的話語權(quán)來決定計算機(jī)技術(shù)的未來發(fā)展方向。項(xiàng)目中用到的超級計算、人機(jī)交互和可視化、全方位模擬和云計算等技術(shù)會更多的為產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)者服務(wù)，開始一個良性循環(huán)，需求增長導(dǎo)致規(guī)模效應(yīng)和成本下降，而成本的下降會進(jìn)一步刺激需求，使超級計算機(jī)等技術(shù)能夠更加廣泛的應(yīng)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(qiáng)大的競爭優(yōu)勢。
HBP在神經(jīng)形態(tài)計算和神經(jīng)機(jī)器人學(xué)方面的研究工作會促使低功耗系統(tǒng)加速發(fā)展，以逐漸接近人類水平。雖然這些技術(shù)不會取代過去50年驅(qū)動歐洲發(fā)展的傳統(tǒng)計算機(jī)技術(shù)，但它們深具潛力的應(yīng)用范圍和戰(zhàn)略意義也同樣重要。HBP如果可以在此領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，則將會對保持歐洲在世界經(jīng)濟(jì)中的競爭地位起到關(guān)鍵作用。
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