今天，美国国立卫生研究院（NIH）宣布了两个由「脑科学计划」发起的创新项目：

一个是「脑科学计划之细胞图谱网络项目」(BICAN)，另一个是「精确脑细胞访问设备中心」。

未来5年，BICAN项目将获得5亿美元的资助，旨在绘制世界最全面的脑细胞图。

研究院认为，这些BRAIN 2.0项目旨在改变我们对脑细胞类型的理解，以及获取它们所需的精确工具，使我们离了解人脑的复杂工作机制又近了一步。

破解「大脑黑箱」的新项目

说起这个「脑科学计划」(BRAIN Initiative)，它可是大有来头。

它于2013年由时任美国总统奥巴马发起，至今已走过了9个年头。

「脑科学计划」是从关注工具开始，之后，「脑科学计划」发起了「大脑细胞普查网络项目」，并在2021年产生了大量论文。

这些研究结合了数百万个细胞的遗传特征、形状、位置和电活动的数据，以确定小鼠、狨猴和人类初级运动皮层（协调运动）的 100 多种细胞类型。

参与「大脑细胞普查网络项目」的数百名研究人员目前正在完成对老鼠大脑其余部分的细胞普查。

等项目全部结束，它有望成为神经科学圈广泛使用的免费资源。

在耗资数十亿美元、做了大量前期研究工作后，「脑科学计划」终于有底气提出最雄心勃勃的挑战:绘制世界上最全面的人类大脑细胞图谱。

科学家们表示，「脑科学计划之细胞图谱网络项目」(BICAN)，未来5年内能有5亿美元（每年1亿美元）的资助，这可以支持他们了解人类大脑是如何工作的以及疾病是如何影响大脑的。

艾伦脑科学研究所获得了 BICAN 三分之一的资助，该研究所所长曾宏奎认为，「BICAN使用了与大脑细胞普查网络项目类似的方法，但规模在扩大」。

从披露的资料看，曾宏奎所言不虚：由于BICAN将描述和绘制整个人类大脑的神经和非神经细胞，而人类大脑有2000亿个细胞，比老鼠的大脑大1000倍。

这个难度显然比「大脑细胞普查网络项目」高很多。

曾宏奎相信，这项工作结果的意义是非凡的：该项目将作为一种神经科学的人类基因组计划的参考。

索尔克生物研究所的Joseph Ecker，也对该项目抱有很大的期待。

索尔克生物研究所领导BICAN表观遗传学研究，研究在不改变 DNA 的情况下传递的遗传变化。

Joseph Ecker说，「我们将尝试涵盖人类从成长到衰老的跨度」。

对于BICAN的雄心，美国国家卫生研究院(NIH)显然是力挺的。

NIH的BRAIN项目主任John Ngai说，BICAN「将改变我们世世代代进行神经科学研究的方式」。

Ngai希望BICAN能全面研究几百个人类大脑，尽管研究人员才刚刚开始研究细节。Ngai说:「采样和覆盖范围将是一个非常非常大的讨论话题。」

今天宣布的另一项3年内3600万美元的资金将用于资助「精确脑细胞访问设备中心」，这个项目将利用新的脑细胞普查数据和先进的技术，为科学家创建工具包。

比如，该中心将开发病毒载体和脂质纳米颗粒，它们将锁定并在基因上调整特定类型的脑细胞。

图：脂质纳米颗粒在生命科学领域的应用

有了这个工具包，科学家们就能探究包括实验室动物和人体组织标本在内的模型系统中的特定脑细胞和神经回路，从而帮助科学家研究细胞功能并开发疾病治疗方法。

举个例子，该工具包能帮助科学家加深他们对神经电路功能的理解，并允许他们使用高精度和可重复性的分子探针针对特定的脑细胞和电路，从而研究复杂行为下的细胞和电路特异性活性，为未来的精确基因治疗奠定基础。

这些大型项目，连同「脑科学计划」后续的「跨尺度连接网络项目」(BRAIN CONNECTS，专注于追踪哺乳动物大脑中的接线图，预计明年初，它将得到为期5年的3000万美元资助)，有望改变神经科学研究，阐明控制行为回路基础的基本原理，并为人类大脑疾病的治疗提供新方法。

到目前为止，NIH在BRAIN项目上总共投入了25亿美元，预计到2026年底将达到52亿美元。

脑计划研究

为了解开大脑的奥秘，2017年，NIH通过推进创新神经技术，开启了「大脑细胞普查网络项目」(BICCN)。

这一项目旨在对人类、猴子和小鼠大脑中的不同细胞类型进行全面识别和编目。

随着这一项目开展了3年，2021年10月，在这一领域的研究轰然开炸。

Nature更是16篇论文齐发。

研究人员在分子水平上全面绘制出了哺乳动物初级运动皮层细胞类型的特征图，标志着这项雄心勃勃项目的第一步已经完成。

这些研究主要对初级运动皮层的逐个细胞级的图谱绘制。

而之所以选择初级运动皮层，是因为这部分大脑结构在所有哺乳动物中都很相似。

尽管人类、猴子和老鼠的大脑之间存在许多差异，但我们控制运动的方式实际上是非常相似的。

初级运动皮层是哺乳动物大脑的外层，不仅整合了感觉和运动信息，还产生了复杂的认知功能。

如下图，人类（左）、狨猴（中）和小鼠大脑（右）中按脑细胞类型聚类的转录组数据。

这个成果可谓意义非凡，绘制出的大脑图谱，将帮助人类更好地理解大脑疾病，包括那些攻击控制运动神经元的疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症等。

此外，在大脑上的研究，美国大科技公司也投入不少精力，比如谷歌。

2019年，谷歌首次成功重建了果蝇大脑神经元的3D模型。

研究人员通过Flood-Filling Network算法和TPU芯片，将果蝇大脑切分成数千个40纳米的超薄切片。

并且使用透射电子显微镜生成每个切片的图像，产生了40万亿像素以上的果蝇大脑影像，然后将2D图像排列对齐形成完整果蝇大脑的3D图像。

40万亿像素下的果蝇大脑重建

紧接着2020年，谷歌公布了果蝇「半脑」连接组，绘制的图像涵盖了25000个神经元，按体积计算，大约占果蝇大脑的三分之一。

2021年，发布了最新的「H01」数据集，这是一个 1.4 PB 的人类脑组织小样本渲染图。

这也是第一个大规模研究人类大脑皮层的「突触连接性」的样本，这种连接性跨越了大脑皮层中所有层面的多种细胞类型。

目前为止，人类的大脑对于今天的我们还是非常神秘的存在。

脑计划研究的不断推进，未来将帮助我们破解人类大脑的奥秘，同时对于AGI的研究也将是巨大的推动。

参考资料

https://www.science.org/content/article/nihs-brain-initiative-puts-dollar500-million-creating-detailed-ever-human-brain-atlas

https://www.nimh.nih.gov/news/science-news/2022/nih-brain-initiative-launches-projects-to-develop-cell-atlases-and-molecular-tools-for-cell-access