作者：M. Mitchell Waldrop，来自自然杂志
这完全不像亨利·马尔克拉姆所预期的“私刑”。但是，来自他的神经科学家同行的连珠炮般的质疑评论——“这简直是垃圾，”一位科学家说——确实让这一天感觉像是一场审判。
正式而言，1月20日在伯尔尼举行的瑞士科学院会议是对神经科学中大规模计算机建模的概述。非正式而言，这是神经科学家首次真正有机会获得关于马尔克拉姆关于人类大脑计划（HBP）的有争议提案的答案——该计划旨在构建一个超级计算机模拟，该模拟整合了关于人类大脑的一切已知信息，从神经细胞膜中离子通道的结构到意识决策背后的机制。
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马尔克拉姆是一位出生于南非的大脑电生理学家，十年前加入了位于洛桑的瑞士联邦理工学院（EPFL），他可能很快就会看到他的雄心壮志得以实现。该项目是角逐成为欧盟两项新的十年旗舰计划之一的六个入围者之一，奖金为10亿欧元（13亿美元）。
“大脑研究人员每年发表60,000篇论文，”马尔克拉姆在伯尔尼解释这个概念时说。“它们都是精美的、出色的研究——但都专注于他们自己的小角落：这个分子、这个大脑区域、这个功能、这张图谱。” 他说，HBP 将整合这些发现，并创建模型来探索神经回路是如何组织的，以及它们如何产生行为和认知——这是神经科学中最深奥的谜团之一。马尔克拉姆说，最终，HBP 甚至将帮助研究人员应对阿尔茨海默病等疾病。“如果我们没有一个综合的观点，我们就无法理解这些疾病，”他宣称。
然而，会议上的反应清楚地表明，人们对马尔克拉姆的愿景深感不安。许多神经科学家认为这是考虑不周的，尤其因为马尔克拉姆独特的脑模拟方法在他们看来极其繁琐和过度详细。他们认为 HBP 被过度炒作了，这要归功于媒体对它将要完成的成就的令人兴奋的报道。而且他们完全不确定他们是否可以信任马尔克拉姆来运行一个真正对其他想法开放的项目。
苏黎世大学和苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）联合倡议神经信息学研究所（INI）的联合主任罗德尼·道格拉斯宣称：“我们需要神经科学的多样性。” 他说，鉴于对大脑的了解如此之少，“我们需要尽可能多不同的人表达尽可能多不同的想法”——如果将如此稀缺的神经科学研究资金转移到一个单一的努力中，这种多样性将受到威胁。
马尔克拉姆不为所动。他辩称，目前，神经科学家没有实现对大脑的全面理解的计划。“所以这就是计划，”他说。“构建统一模型。”
马尔克拉姆的宏大构想
至少从 1980 年开始，马尔克拉姆就开始追求统一性，当时他在南非开普敦大学开始了本科学习。当他认为精神病学主要是将人归入诊断类别并相应地给他们用药时，他放弃了他的第一个研究领域。“这永远不会告诉我们大脑是如何工作的，”他在伯尔尼回忆道。
他对新方向的探索将马尔克拉姆带到了道格拉斯的实验室，当时道格拉斯是开普敦一位年轻的神经科学家。马尔克拉姆被迷住了。“我说，‘就是这个！在我的余生里，我将深入研究大脑，了解它是如何工作的，直到我们能找到的最小细节。’”
这种热情将马尔克拉姆带到了以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所攻读博士学位；在美国马里兰州贝塞斯达的美国国立卫生研究院和德国海德堡的马克斯·普朗克医学研究所担任博士后研究员；并在 1995 年在魏茨曼获得教职。他作为一名实验者的声誉卓著，尤其是在证明了尖峰时序依赖性可塑性——其中神经连接的强度根据冲动到达和离开的时间而变化（H. Markram 等人，《科学》275, 213-215; 1997）。
到 1990 年代中期，个人的发现让他感到不满意。“我意识到我可以在我职业生涯的未来 25 年、30 年里做这件事，但这仍然无法帮助我理解大脑是如何工作的，”他说。
他推断，为了做得更好，神经科学家必须系统地汇总他们的发现。每一项实验至少都隐含地涉及一个模型，无论是离子通道的分子结构还是皮质回路的动力学。马尔克拉姆意识到，借助计算机，您可以显式地编码所有这些模型，并让它们协同工作。这将帮助研究人员找到他们知识中的差距和矛盾，并确定解决这些问题所需的实验。
马尔克拉姆的洞察力并非独创：自 20 世纪初以来，科学家们一直在设计神经活动的数学模型，自 1950 年代以来就一直在使用计算机来完成这项任务（参见第 462 页）。但他的雄心壮志是巨大的。他没有将每个神经元建模为例如较大神经网络中的一个点状节点，而是提议以其所有多分支细节对其进行建模——直至其无数的离子通道（参见“构建大脑”）。而且，他不想仅仅模拟参与例如嗅觉的神经回路，而是想模拟一切，“从基因水平、分子水平、神经元和突触、微回路如何形成、宏回路、中回路、大脑区域——直到我们理解如何将这些水平联系起来，一直到行为和认知。”
运行如此宏大的大脑统一理论所需的计算机功率约为每秒一艾克斯浮点运算，或 1018 次运算——在 1990 年代是绝望的。但马尔克拉姆并没有气馁：可用的计算机功率大约每 18 个月翻一番，这意味着百亿亿次计算机可能在 2020 年代可用（参见“任重道远”）。与此同时，他认为神经科学家应该为此做好准备。
马尔克拉姆的雄心壮志与帕特里克·埃比舍的雄心壮志完美契合，帕特里克·埃比舍是一位神经科学家，于 2000 年成为 EPFL 的校长，并希望将该大学打造成计算和生物医学研究领域的强国。马尔克拉姆是他 2002 年最早招募的成员之一。“亨利给了我们一个购买蓝色基因的理由，”埃比舍说，他指的是当时一种新的 IBM 超级计算机，该计算机针对大规模模拟进行了优化。2005 年，一台计算机安装在 EPFL，让马尔克拉姆启动了蓝色大脑计划：他的第一个综合神经科学实验，事后看来，它是 HBP 的原型。
马尔克拉姆说，该项目的一部分是对统一模型可能意味着什么的演示，他从他对大鼠皮层的数据集开始，他和他的学生自 1990 年代以来一直在积累该数据集。他说，它包括来自许多实验室的大约 20,000 个实验的结果——“关于我们遇到的每种细胞类型的数据，形态、三维重建、电特性、突触通讯、突触的位置、突触的行为方式，甚至关于表达哪些基因的遗传数据”。
到 2005 年底，他的团队已将此数据集的所有相关部分整合到单神经元模型中。到 2008 年，研究人员已将大约 10,000 个此类模型连接到一个称为皮质柱的管状皮质部分的模拟中。现在，使用更高级版本的蓝色基因，他们已经模拟了 100 个互连的柱。
马尔克拉姆说，这项努力取得了一些发现，例如柱中突触的尚未公布的统计分布。但它真正的成就是证明，正如承诺的那样，统一模型可以作为皮质结构和功能数据的存储库。事实上，马尔克拉姆说，该团队的大部分努力都投入到创建“使蓝色大脑对每位神经科学家都有用的庞大基础设施和软件生态系统”中。这包括将数据转换为模拟的自动工具，以及信息学工具，例如 http://channelpedia.net——一个用户可编辑的网站，可自动整理来自 PubMed 数据库出版物中关于离子通道的结构数据，目前收录了约 180,000 篇摘要。
马尔克拉姆说，最终目标始终是整合整个大脑的数据。2009 年 12 月，欧盟宣布准备为每个高风险但可能具有变革性的旗舰项目投入约 10 亿欧元，最终出现了接近该规模的机会。马尔克拉姆曾是认可该倡议的 27 名成员咨询小组的成员，他立即着手组织自己的参赛作品。2011 年 5 月，HBP 被提名为六个候选项目之一，这些项目将获得种子资金并准备一份完整的提案，提案截止日期为 2012 年 5 月。
马尔克拉姆说，如果 HBP 被选中，关键目标之一是使其具有高度协作性和互联网可访问性，向来自世界各地的研究人员开放，他还补充说，该项目联盟已经包括来自 22 个国家的约 150 名首席研究员和 70 个机构。“这将是许多爱因斯坦聚集在一起构建大脑，”他说，每个人都带来他或她自己的想法和专业知识。
自下而上
在伯尔尼会议上，对 HBP 作为开放用户设施的描述引发了兴趣和热情。但更多的是马尔克拉姆的批评者，他们中的许多人专注于蓝色大脑模型的感知缺陷——以及马尔克拉姆的数据整合方法。
该方法的核心是马尔克拉姆的信念，即一个好的统一模型必须自下而上地吸收数据。他认为，建模者应该从最基本的层面开始——他专注于离子通道，因为它们决定了神经元何时放电——并在进行到下一个层面之前让一切在一个层面上工作。这需要大量的有根据的猜测，但马尔克拉姆认为，随着实验的发表，大脑知识中公认的巨大差距可以用数据来填补——蓝色大脑模型每周更新一次。马尔克拉姆说，另一种方法是近似和抽象掉生物学细节，这样就无法确定模型的行为是否与大脑的工作方式有关。
这就是其他计算神经科学家咬牙切齿的地方。他们中的大多数人已经在使用单个神经元的简单模型来探索诸如模式识别之类的高级功能。许多人在伯尔尼争辩说，马尔克拉姆的自下而上的方法有只见树木不见森林的风险：该模型可能过于详细，以至于并不比真正的大脑更容易理解。而这还是在马尔克拉姆能够构建它的前提下。批评者说，从蓝色大脑在过去六年中所取得的成就来看，这似乎不太可能。INI 的联合主任凯文·马丁在一封电子邮件中指出，模拟的大鼠皮质的微小条带没有来自感觉器官的输入，也没有通往大脑其他部分的输出，几乎没有产生任何有趣的行为。他说，马尔克拉姆“当然没有”模拟柱在整个动物中的工作方式。
马尔克拉姆在伯尔尼对这些批评的回应是，更多的功能总是在添加到蓝色大脑模拟中。但马丁仍然不为所动。“我无法想象这种细节程度——即使在亨利付出相当大的努力之后仍然非常不完整——在未来十年内如何从啮齿动物大脑的几个区域中获得，更不用说果蝇、斑马鱼、鸣禽、小鼠或猴子的大脑了，”他的电子邮件继续说道。
“当然，”马丁补充道，“如果 HBP 没有出现并极大地提高了赌注，那么所有这一切都只不过是教授们茶杯里的风暴。” 人们很容易想象神经科学研究的其他领域因 HBP 而缺乏资源——尤其是在瑞士，作为东道国，瑞士将不得不提供很大一部分但仍未确定的资金。道格拉斯问道：欧洲应该花费 10 亿欧元来支持一个人的热情追求吗？他承认，有时需要有远见的人来推动进步。“但如果他们热情地错了呢？”
同样助长焦虑和恼怒的是，人们普遍认为马尔克拉姆一直在通过新闻媒体，而不是通过出版、会议和其他传统的科学渠道来宣传他的观点。记者们看到了很多喜欢的地方：马尔克拉姆身材高大、引人注目，并且以已故的卡尔·萨根的南非版本的清晰度、可引用性和紧迫性来解释他的想法。INI 的计算神经科学家理查德·哈恩洛泽说，他具有“催眠效果”。但批评者说，这导致了太多的新闻报道，给人的印象是 HBP 将例如消除对实验动物的需求。
另一位 INI 研究人员担心，“十年后，当暗示的预测没有实现时，整个神经科学界都会遇到麻烦”，他担心政治家们会立刻说，“但是你承诺过！”
进步的步伐
在伯尔尼，马尔克拉姆对故意制造炒作的指责感到恼火。“我从未说过 HBP 会取代动物实验，”他反驳一位提问者。“我说模拟可以帮助你选择最能增加价值的实验。”
马尔克拉姆还极力强调，HBP 将对其他建模方法开放。“这种担忧是没有根据的，因为他们根本没有费心去了解所提出的内容，”他在会后告诉《自然》。最终的设施“将允许任何人使用尽可能多的来自任何地方的数据，在各种生物学细节水平上构建模型”。
马尔克拉姆似乎正在建立支持。去年，监督 ETH 和 EPFL 的董事会在一个由四人小组进行的严格审查后，热情地认可了蓝色大脑计划，该小组包括两位直言不讳地批评马尔克拉姆方法的怀疑论者。董事会要求瑞士议会为该项目在 2013-16 年期间投入 7500 万瑞士法郎（8100 万美元）——是蓝色大脑当前预算的十倍以上。议会的决定预计将在下个月做出。
马尔克拉姆乐观地认为，欧盟将对 HBP 得出大致相同的结论。然而，马尔克拉姆说，如果该项目未获得批准，“我们将继续进行蓝色大脑”——尽管可能需要更长的时间才能实现完整的大脑模拟。
马尔克拉姆显然觉得历史站在他这边。“基于模拟的研究是不可避免的，”他在伯尔尼宣称。“如果我被阻止这样做，它也会发生。它已经在科学的许多领域发生过了。它也将在生命科学领域发生。”
本文经自然杂志许可转载。该文章于 2012 年 2 月 22 日首次发表。