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中國網/中國發展門戶網訊 美國“腦計劃”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，BRAIN Initiative）是由白宮科學技術政策辦公室發起的一項政府與民間聯合支持的研究計劃，被稱為美國推進對人類大腦功能整體理解的“登月計劃”。美國“腦計劃”通過推動創新神經技術開展大腦研究，旨在研究大腦的工作機制以徹底更新人類對大腦的理解，繪制大腦動態圖譜以顯示單細胞在復雜神經回路中的時空互作，以及針對無法治愈的大腦疾病開發新療法。美國“腦計劃”的獨特性是以研究健康大腦的工作機制為首要科學目標，而不限于對特定疾病的重點關注，通過探索保持群體共性和個性背后的神經科學機制，最終提高人類對自身的認知。美國“腦計劃”在戰略規劃布局、實施進度安排、主要研究方向、項目組織管理等方面做了大量周密而細致的工作，使其平穩進入茁壯成長的新階段，具有較高的借鑒價值。文章希望通過介紹美國“腦計劃”，為當前我國腦計劃的新啟航提供一些有益的啟示和思考。
組織實施進展
美國“腦計劃”自2014年啟動，經過近10年發展，由以美國國立衛生研究院（NIH）為核心構建自上而下的多層次組織管理網絡，資助開展了一系列科研項目，取得了一系列矚目成就。其在2019年后的新發展階段布局和陸續啟動的一系列大型變革性腦科學項目將產生重要數據資源，為疾病診治提供強大的知識平臺和技術支撐，最終將加速美國“腦計劃”目標的實現。
發展歷程
2011年9月，在美國科維理基金會、艾倫腦科學研究所和蓋茨基金會共同贊助的會議上，美國哥倫比亞大學神經技術中心主任拉斐爾・尤斯特提出美國“腦計劃”雛形：通過開發新技術追蹤大腦功能連接活動。2013年4月，時任總統奧巴馬宣布啟動“腦計劃”，以加快新技術的開發和應用，繪制出大腦中每個神經元的每個動作，并在后續經過了相關學科科學家集中征集意見和反復辯論。2014年6月，藍寶堅尼零件NIH“腦計劃”工作組提出了“以實現科學性和倫理性愿景為目標”的“腦計劃”戰略報告《2025年腦科學：一個科學愿景》（BRAIN 2025: A Sci臺北汽車零件entific Vision，BRAIN 2025），強調注重創新技術在神經科學、神經系統疾病研究等方面的應用。2019年10月，“腦計劃”2.0（BR汽車材料報價AIN 2.0）工作組提出了中期戰略報告《美國“腦計劃”2.0：從細胞到神經回路，再到治療》（The BRAIN Initiative®2.0: From Cells to Circuits, Toward Cures，BRAIN 2.0），進一步明確未來腦科學研究的優先事項和投資事項（表1）。2022年9月，美國“腦計劃”啟動部分BRAIN 2.0項目：細胞圖譜網絡（BICAN）和可用于精準訪問腦細胞的設備，其目標是加強對大腦細胞類型及其訪問工具的理解，以幫助進一步解碼大腦復雜的工作機制。
組汽車空氣芯織管理
美國“腦計劃”是一項“自上而下”設計的國家型科學發展規劃，臺北汽車材料分為戰略規劃和組織實施兩個層次（圖1）。①戰略規劃層面。NIH作為美國“腦計劃”的依托單位，其院長弗朗西斯·柯林斯作為美國“腦計劃”的領導者，主導整體戰略規劃和中期戰略報告的制定和實施。NIH院長牽頭召集領域內頂級科學家組建NIH院長咨詢委員會（ACD）的“腦計劃”高級別工作組2.0，內設“腦計劃”神經倫理亞組，作為中堅力量和智囊團掌舵“腦計劃”的戰略方向與落地實施。其中“腦計劃”高級別工作組2.0負責在BRAIN 2025報告框架下評估“腦計劃”進展，明確用于解析腦回路工作機制的關鍵工具和需持續資助的有價值研究領域；“腦計劃”神經倫理亞組負責評估當前研究相關的社會倫理影響，為美國“腦計劃”制定神經倫理發展路線圖。②組織實施層面。NIH共有10個研究所/中心（ICs）作為“腦計劃”的管理主體，各個ICs代表與聯邦成員代表等組建“腦計劃”多理事會工作組和神經倫理學工作組，ICs負責管理美國“腦計劃”的國會撥款，多理事會工作組負責長期監督“腦計劃”資助項目的實施，并確保“腦計劃”的發展方向不偏離BRAIN 2025的長期愿景，負責在發布資助公告前對新項目進行“初步”概念審查，并確保“腦計劃”的所有ICs咨詢委員會知悉“腦計劃”的項目資助及其進展情況，以便于其進行二次審查和正式批復；神經倫理學工作組負責明確研究中的倫理問題和預測倫理挑戰，向研究人員提供倫理學咨詢，資助神經倫理研究項目和發布倫理問題指南。
資助項目
已有資助項目。美國“腦計劃”資助的科研項目包括資助機會（funding opBMW零件portunities）類和資助獎（funded awards）類。①資助機會類項目。以“資助機會公告”（funding opportunity announcements，FOAs）形式發布。官網數據顯示，截至2022年10月，67項FOAs處于開放狀態，200項FOAs已結束。NIH既是美國“腦計劃”的管理機構，也是項目主要資助機構，其他資助機構包括美國國家科學基金會（NSF）、美國情報高級研究計劃局（IARPA）、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國西蒙斯基金會和美國科維理基金會，其中NIH資助的FOAs數量最多，其次為NSF（表2）。②資助獎類項目。共計1137項，從2014年起資助項目數量逐年遞增，直至2018年達峰，2019年稍有回落，從2020年起繼續保持上升趨勢（圖2）。前15位承研機構以高校為主，其中美國斯坦福大學（承研項目42項）高居榜首，美國麻省理工學院和麻省綜合醫院（承研項目均為36項）位居其次，美國艾倫腦科學研究所（承研項目26項）和冷泉港實驗室（承研項目20項）亦位列其中（圖3）。
擬開展項目。根據BRAIN 2.0發展規劃，下一步將推進以下5個可產生重要汽車冷氣芯數據資源的大型項目：①“為認識腦功能和腦功能障礙性疾病提供細胞特異性解決方案”項目。實現可永久標記任何生物體的細胞群，通過操縱油氣分離器改良版特定細胞類型可逆調控細胞功能。②“人腦細胞圖集”項目。旨在生成一個大數據量和高精度的全人類大腦細胞圖集。③“小鼠大腦的連接組學”項目。全面繪制整個小鼠大腦的空間連接圖，以實現腦回路從“突觸”到“功能調控和行為”的跨越式研究。④“基于神經回路的療法”項目。通過高時空精度干預特定神經回路，實現大腦功能的長期改變，以緩解神經精神類疾病癥狀。⑤“記憶和離線大腦”項目。從突觸到全腦網絡多個尺度，在神經活動和行為測量之間建立關聯，建立大規模神經活動圖譜，解析大腦從不同的記憶系統中檢索和利用信息的機制。
主要學術成就
截至2022年10月，美國“腦計劃”自啟動以來共計發表學術論文1248篇。利用Bibexcel軟件進行文獻計量，Pajek軟件進行文獻關鍵詞聚類分析，Vosviewer軟件進行可視化，得到美國“腦計劃”論文關鍵詞共現網絡圖譜（圖4）。保時捷零件結果表明，以下7類關鍵技術分別作為每一類的最大節點，與其他節點共現的總頻次最高。
功能核磁共振（fMRI）。該聚類包括靜息態功能核磁共振（resting-state fMRI）、示蹤成像（tractography）、擴散核磁共振成像（diffusion MRI）、功能性連接（functional connetivity）、阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease）和輕度認知損害（mild cognitive impairment，MCI）等節點。以分子水平功能核磁共振成像為代表的新型功能核磁技術發展迅速，例如，麻省理工學院首次對神經遞質多巴胺開展分子水平功能核磁研究，該技術可對光學手段無法檢測到的活體大腦區域進行檢測，同時實現細胞尺度測量和無創性全腦成像。
深部腦刺激（deep brain 德系車零件stimulation， DBS）。該聚類包括帕金森病（Parkinson’s disease）、癲癇（epilepsy）、抑郁癥（depression）和腦電圖（EEG）等節點。美國“腦計劃”推動了DBS技術在抑郁癥個體化治療中的應用。美國埃默里大學研究了對抑郁癥的DBS個體化治療策略，對胼胝體扣帶下區行高頻DBS治療難治性抑郁癥（TRD）；美國凱斯西儲大學開發了手術室應用軟件StimVision，易于圖像引導病人個體化立體定位系統中進行DBS電極靶向刺激，有助于新型DBS治療抑郁癥的臨床路徑開展和電極靶向效果的術后評估。
神經調制（neuromodulation）。該聚類包括神經接口（neural interface）、經顱交流電（transcranial alternating current）、超聲聚焦（focused ultrasound）、電生理學（electrophysiology）等關鍵節點。美國“腦計劃”主要資助了新型非侵入性神經調制技術及工具的研發，包括開發和測試利用其他形式能量且具有高時空分辨率的神經調制技術，以及對現有神經調整技術的優化。美國加州理工學院通過功能性超聲波（fUS）的腦成像數據追蹤猴腦活動變化，結合對應任務通過深度學習算法處理，從而解碼行為意圖。該方法對大腦活動記錄的準確率高且對腦組織友好，有助于中風、癱瘓等疾病治療。
光遺傳學（optogenetics）。該聚類包括嗅球（olfactory bulb）、初級視覺皮層（primary visual cortex）、丘腦（thalamus）、鈣成像（calcium imaging）、雙光子顯微鏡（two-photon microscopy）等節點。光遺傳學技術是調制神經元活動的強大工具之一，美國“腦計劃”資助的新型光遺傳學技術項目在對不同神經元群體“多色”光遺傳控制方面取得了重大進展。勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、密歇根大學和紐約大學的研究人員通過聯合開發一種結構更緊湊、可擴展和侵入性更小的柔性聚合物神經探針陣列，突破了傳統光遺傳學技術僅能通過單色光控制一種神經元類型的局限，有助于闡釋神經環路的細胞機制，為創傷后應激障礙和阿爾茨海默病提供了潛在治療方法。
神經成像（ne福斯零件uroimaging）。該聚類包括神經元（neuron）、連接組學（connectomics）和神經網絡（neural networks）等節點。神經影像學在大多數腦部疾病的治療中發揮了重要作用，人腦微觀結構成像、結構—功能成像相關技術發展迅速。2020年，由IARPA資助的美國“腦計劃”項目MICrONS取得了突破性進展。美國艾倫研究所開發了一種通過高通量透射電子顯微鏡繪制神經元環路的自動成像管道，可支持在跨腦區皮質微環路水平上獲取數據，該成像技術的適用性較強，既適用于大型研究中心，也適用于小型獨立實驗室。
功能成像（functional i賓士零件maging）。該聚類包括平行成像（parallel imaging）、深度學習（deep learning）、圖像重建（image reconstruction）等節點。美國“腦計劃”資助開發了高密度腦電圖等新型功能成像技術，該技術可實現動態繪制信號來源和大腦底層網Porsche零件絡，未來可能產生動態功能成像領域的新范式。由NIH、NSF、科維理基金會和DARPA聯合資助的集成神經光子學國際合作項目取得進展，該項目集成光學、電子學和光遺傳學的技術進展，在腦組織快速深度功能成VW零件像方面顯示了巨大應用潛力，可能實現對特定腦區重要結構的活動進行深度密集記錄。
組織工程（tissue engineering）。該聚類包括生物材料（biomaterials）、生物工程（bioengineering）和神經創傷（neurotrauma）。活性生物電極的設計和引入大大降低了腦機接口存在的持續排異反應，改善了神經活性界面的有效性。美國賓夕法尼亞大學開發了一種由微型水凝膠柱構成的微組織工程化神經網絡（micro-TENNs），其獨特性在于，微型水凝膠柱由一系列生物材料構成，具有可控的機械和生物學特性，可誘導神經元和軸突在細胞外基質的支持下形成軸突束排列的三維“模擬大腦神經網絡”，可用于神經修復與再生。
美國“腦計劃”實施特點分析
美國“腦計劃”自啟動以來，通過緊前布局總體戰略愿景框架、部署細化研究方向、注重跨部門和多地區合作、營造多學科融合和倫理道德保證的科研環境，使得項目穩步推進，在中期進行了戰略適度調整，明確了新階段的重點方向和遠近目標，使其在先進技術開發和腦病治療等領域取得了一系列引領性創新。
注重以發展先進技術為切入點
美國“腦計劃”提出，技術本身及其衍生出的一系列工具將有助于認識神經系統在健康和疾病中發揮的作用，這也是實現BRAIN 2025愿景的最佳方式。美國“腦計劃”資助的研究論文以功能核磁、深部腦刺激、光遺傳學等先進技術為研水箱水究主題，將其轉化為人類認識大腦和腦病治療的有用工具，凸顯了美國“腦計劃”對發展先進技術的重視。該計劃通過發布“優化和驗證新型神經科學技術和方法（PA-18-871和PA-18-870）”的資助機會類項目等方式，積極推進創新型神經技術的開發，在優先研究領域內取得諸多技術突破。在細胞水平，通過開發基于病毒載體的CRISPRs和TALENs，或基于非病毒載體的抗體靶向脂質體，促進面向特異細胞的轉基因技術開發，提高將外源基因序列整合至基因組的效率。在動物水平，結合現代染料示蹤技術、遺傳標記及整體成像技術（如美國斯坦福大學研發的突破性大腦透視技術CLARITY），汽車零件貿易商為研究神經元之間的長距離連接和神經環路，建立完整、真實的大腦結構三維圖像提供了可能性。
鼓勵跨部門協同推進“腦計劃”實施
美國政府鼓勵美國國家機構、學術研究組織、非營利性基金會及企業跨部門協同合作、共同推動，構建了多元合作組織管理模式，以順利推進“腦計劃”。西蒙斯賓利零件基金會、艾倫腦科學研究所、FDA、IARPA、科維理基金會、NIH、NSF和電氣與電子工程師協會腦技術社區（IEEE Brain）共同組建了“腦計劃”聯盟（BRAIN Initiative Alliance，BIA），有力推進了“腦計劃”成員之間的跨部門協同。由基金會、大學、12家企業和2個社會團體組織構成的非聯邦機構，在推動“腦計劃”高新技術研發和成果轉化方面發揮了重要作用。例如，科維理基金會作為“腦計劃”發起者之一，通過與白宮溝通推進“腦計劃”成形、在“腦計劃”框架下投資組建神經科學研究所和每年提供約400萬美元經費以資助“腦計劃”項目等方式，對美國“腦計劃”有不容小覷的助推作用。
建立數據標準和數據共享平臺
為切實推動多學科交叉和新技術開發，美國“腦計劃”重視建立統一標準化的研究數據，以數據標準化、數據可利用化為目標，通過設置“相關數據標準的研究和制定”研究項目（RFA-MH-20-128）水箱精，制定數據標準，建立可容納多個研究團隊數據的存儲架構，以及開發數據分析和可視化軟件，最終構建形成“腦計劃”的信息架構。美國“腦計劃”官網及時分享腦科學最新研究成果，艾倫研究所以brain-map.org網站作為共享平臺，向科學家和公眾提供人腦數字圖譜集；美國“腦計劃”資助的大型合作項目細胞普查網絡（BICCN）建立了一個全面的大腦細胞類型資源平臺，可通過分子水平、解剖學和功能學多個維度對外傳播和共享魚、小鼠及人類的大腦細胞數據。此外，美國“腦計劃”制定了清晰開放的數據共享機制，包括：來自美國“腦計劃”資助項目的數據必須在期刊首次發表時公開分享；數據應以標準格式存儲于NIH維Benz零件護的中央服務器上，數據標準涉及數據收集、使用、儲存和訪問多個環節；盡可能多地存儲原始數據，將成果適當分配給數據采集者等，有效提高了成員單位的協作效率。
利用全球資源廣泛開展國際合作
隨著美國“腦計劃”研究的不斷深入，美國越來越重視國際合作對于知識共享和成果轉化的重要作用，繼而在多個國家之間開展全球性的項目合作。美國“腦計劃”的國際成員包括澳大利亞健康與醫學研究委員會、加拿大腦基金會和丹麥靈北腦科學基金會等。美國“腦計劃”啟動以來，美國與全球多個國家聯合發表科研論文，與中國、韓國、德國、英國、以色列和澳大利亞等國家建立了密切的合作關系（圖5）。包括中國科學院北京基因組研究所、清華大學-北京大學生命科學聯合中心、鄭州大學等多個中國科研機構與美國在神經遞質的熒光探針設計、構建輕度認知損害的大腦網絡等方向合作發表多篇研究論文。特別在汽車零件進口商神經聯結圖譜研究方面，華中科技大學Britton Chance生物醫學光子學研究中心駱清銘團隊致力于生物醫學光子學高速腦成像新技術方法研究，其發明的雙光子鈣成像方法（如高分辨熒光信號微光學分層成像法HD-fMOST）可實現在單個神經元水平的全腦功能投射成像，其獲得NIH資助并與美國實驗室合作開展了大量研究工作，在小鼠大腦的基本網絡（皮質—基底神經節—丘腦—皮質神經環路）、小鼠初級運動皮層的解剖學研究、單個神經元形態多樣性與細胞類型定義等方面取得突破性進展。此外，駱清銘團隊還參與了美國“腦計劃”細胞普查網絡（BICCN）項目的研究，對哺乳動物初級運動皮層開展多模式細胞普查并繪制圖譜。
美國“腦計劃”資助獎項目除分布于美國本土，還有部分位于英國（倫敦大學學院）、法國（皮埃爾和瑪麗居里大學、艾克斯-馬賽大學）、德國（慕尼黑工業大學、馬克斯普朗克神經生物學研究所）、荷蘭（烏特勒支大學醫學中心）和以色列（以色列特拉維夫大學、耶路撒冷希伯來大學）等，上述項目利用歐洲大腦研究基礎設施EBRAINS提供的開放性的計算工具、模型和數據，整合跨學科的腦科學資源，建立理論框架，加深了對神經認知的理解。
相關啟示
2016年4月6日，我國正式批復“科技創新2030—‘腦科學與類腦研究’重大項目”立項。如何把握當前腦科學發展的戰略機遇，培育和儲備在神經科學和類腦研究尖端科技領域的創新能力，是當前面臨的重要挑戰。美國“腦計劃”的發展模式對我國腦科學研究的創新能力打造和高質量研究成果產出具有一定參考意義。
緊貼國家戰略需求加強頂層設計
頂層設計對于大科學計劃的順利實施和成果交付具有舉足輕重的作用。NIH提出的整體戰略規劃報告（BRAIN 2025）和中期戰略報告（BRAIN 2.0）對“腦計劃”在不同時期的實施進行了戰略規劃，明確了優汽車零件報價先研究領域，并制定了短期和長期規劃，形成了規劃制定、實施執行、監測評估和更新迭代國家技術戰略鏈條。美國高端智庫還推出系列戰略報告，如波托馬克政策研究所于2013年4月發布的《神經技術未來研究：21世紀引領經濟革命的神經科學和技術發展路線圖》等，也對美國腦科學發展路線圖的形成發揮了重要戰略引領作用。
因此，提出以下建議：我國腦科學領域的創新發展，應緊貼“健康中國”戰略需求，可借鑒美國“腦計劃”戰略制定、實施和監測的模式，并參考“美國國家科技戰略”的實施政策路線圖，完善符合我國國情的腦科學技術戰略框架，進一步提升我國科技項目的頂美國“腦計劃”實施特OSDER奧斯德汽車零件點分析及啟示_中國發展門戶網－國家發展門戶