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腦科學計劃

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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]

腦科學計劃（BRAIN Initiative），是由奧巴馬政府於2013年4月2日宣佈的一項合作性、公私合營的研究計劃，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 ，由白宮科學技術政策辦公室（OSTP）發起 ，是白宮神經科學計劃的一部分。[7] 受人類基因組計劃啟發，BRAIN打算協助研究人員揭開腦部疾病的神祕面紗，例如阿爾茨海默氏症、帕金森氏症、抑鬱症和創傷性腦傷 （TBI）。

BRAIN的參與者及該計劃的成員包括DARPA和IARPA，以及眾多美國、澳大利亞、加拿大和丹麥的私人公司、大學和其他組織。[8]

背景[編輯]

「腦科學計劃」受到了許多因素影響，這些影響可以追溯到十年前，包括：在美國國立衛生研究院(NIH)的計劃會議，該會議產生了NIH的神經科學研究藍圖； [9]在國家科學基金會（NSF）舉辦的關於認知 、神經科學和融合科學的研討會，該研討會報告了像是2006年的「思維和大腦的巨大挑戰」；[10] 國家研究委員會和醫學研究所神經科學與神經系統疾病論壇的報告，像是在2008年6月25日關於神經科學大挑戰的研討會報告「從分子到思維：21世紀的挑戰」；[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。

一項重要的活動是「大腦活動圖譜計劃」。 2011年9月，卡夫里基金會（Kavli Foundation）的分子生物學家Miyoung Chun，於倫敦組織了一次會議，科學家首次提出了這一計劃的想法。 [4] [12] 在隨後的會議上，來自美國政府實驗室的科學家，包括科學技術政策辦公室成員，霍華德·休斯醫學研究所和艾倫腦科學研究所的科學家，以及Google、微軟和高通的代表，都討論了實現這項政府主導計劃的可能性。 [2]

其他影響還包括：由NSF生物科學的助理主任James L. Olds領導的跨學科「心智的十年」計劃，[13] [14]以及在DARPA由傑弗里·靈 （ Geoffrey Ling）領導的「義肢革新計劃」(Revolutionizing Prosthetics)，並曾於2009年4月的60分鐘節目中播出[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·奧巴馬總統宣佈了「腦科學計劃」

實驗方法[編輯]

新聞報道稱，這項研究將繪製老鼠和其他動物神經元活動的動態圖[3]，最終繪製出人腦中數百億神經元的圖譜。 [17]

在2012年的科學評論中，概述了一個更受限項目的實驗計劃，Alivisatos等人提出了各種特定實驗技術，可以用來實現所謂「功能連接組」以及過程中必須開發的新技術。 [1] 他們指出，由於秀麗隱杆線蟲的神經迴路相對簡單，因此可能先對其進行研究，然後對果蠅進行研究。中期研究可以在斑馬魚 ， 老鼠和小臭鼩中進行，而研究最終將在靈長類和人類中進行。 他們擬議發展可以用作電壓傳感器 （可檢測單個動作電位）的納米顆粒，以及可用作電生理多電極陣列的納米探針。特別是，他們提倡使用無線、非侵入性的神經元活動檢測方法，或利用微電子超大規模集成電路 ，或是基於合成生物學而非微電子技術。 其中有個方法建議，酶促使產生的DNA可作為神經元活動的「滴定磁帶記錄」 ，這是基於鈣離子所誘導的DNA聚合酶[18]編碼錯誤[1][19] ，其數據將透過大規模計算進行分析和建模。 [1]另一項相關技術則建議，使用高通量DNA測序技術來快速繪製神經連通性的圖譜。 [20]

時間軸[編輯]

工作組在2014年提出的時間軸是： [21]

  • 2016–2020：技術開發和驗證
  • 2020年至2025年：以整合的方式應用這些技術，以取得有關大腦的基礎性新發現

反應[編輯]

科學家們對該計劃提出了不同的看法。 神經科學家John Donoghue表示，該項目將填補神經科學研究在兩個方面之間的空白，一方面是使用fMRI等方法在大腦區域水平進行活動測量，另一方面是在單細胞紀錄水平進行測量。 [3] 然而，心理學家埃德·沃爾（Ed Vul）對此表示擔憂，他認為這項計劃將會分散個人研究者的研究資金。 [3]神經科學家唐納德·斯坦因（Donald Stein）表示擔心，在確切知道要測量的內容之前，先將錢花在技術方法上是錯誤的。 [4] 相反，物理學家米高·魯克斯 （ Michael Roukes）則認為，納米技術的方法已經變得足夠成熟，到了可以繪製大腦活動圖譜的合適時機。 [4]神經科學家RodolfoLlinás在第一次洛克菲勒會議上宣佈：「這裏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]

這個項目面臨巨大的後勤挑戰。 神經科學家估計，該項目每年將產生300EB的數據，這是一個重大的技術障礙。[23] 現在可用的高解像度腦活動監測器大多是有限度地使用，這是因為必須打開顱骨，以外科方式將監測器植入。[23]該計劃與過去政府主導的大規模研究工作有着相似之處，包括人類基因組圖譜、登月航行和原子彈計劃。[2]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

  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 可免費查閱. PMID 22726828. doi:10.1016/j.neuron.2012.06.006. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2021-05-02）. 
  5. ^ Fox, Maggie. White House pitches brain mapping project. NBC News. April 2, 2013 [April 2, 2013]. （原始內容存檔於2020-08-04）. 
  6. ^ Fact Sheet: BRAIN Initiative. White House Office of the Press Secretary. April 2, 2013 [April 2, 2013]. （原始內容存檔於2015-07-11）. 
  7. ^ White House Neuroscience Initiative. whitehouse.gov. US Government. [7 May 2015]. （原始內容存檔於2016-12-11）. 
  8. ^ Participants. The BRAIN Initiative. [2019-09-29]. （原始內容存檔於2021-11-12）. 
  9. ^ NIH Blueprint for Neuroscience Research. nih.gov. National Institutes of Health. [7 May 2015]. （原始內容存檔於2022-02-17）. 
  10. ^ NSF Report on Grand Challenges of Mind and Brain. NSF publication. NSF. [9 May 2015]. （原始內容存檔於2020-09-20）. 
  11. ^ Workshop on Grand Challenges in Neuroscience. Institute of Medicine. National Academies of Science. [9 May 2015]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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 可免費查閱. PMID 22135580. 
  14. ^ NSF Selects James Olds to head Biological Science Directorate. NSF.gov. NSF. [9 May 2015]. （原始內容存檔於2021-03-21）. 
  15. ^ The Pentagon's Bionic Arm. cbsnews.com. CBS News. [9 May 2015]. （原始內容存檔於2020-11-24）. 
  16. ^ BRAIN Grand Challenges Conference. IEEE EMBS. IEEE. [9 May 2015]. （原始內容存檔於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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. 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 可免費查閱. PMID 22928047. doi:10.1371/journal.pone.0043876. （原始內容存檔於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 可免費查閱. doi:10.1371/journal.pcbi.1002291. （原始內容存檔於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 可免費查閱. 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]. （原始內容存檔於2021-10-13）. 
  22. ^ WadmanSep. 20, Meredith. Big dreams emerge for big brain science projects. Science | AAAS. 2016-09-20 [2019-05-22]. （原始內容存檔於2021-01-20） （英語）. 
  23. ^ 23.0 23.1 Markoff, John. Connecting the Neural Dots. New York Times. February 26, 2013 [February 27, 2013]. （原始內容存檔於2021-05-06）. 

擴展閱讀[編輯]

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

外部連結[編輯]

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