腦科學和類腦智能的發展前景展望

楊丹輝

【關鍵詞】腦科學 類腦智能 前沿科技 未來產業 前瞻布局 【中圖分類號】R318 【文獻標識碼】A

人腦擁有近1000億個神經元和約100萬億個連接，可稱得上是已知宇宙當中最復雜的構件，也是人類區別于其他生物最具標識性的功能器官之一?？茖W、全面地破解人腦之謎，不僅有助于找出困擾生命健康的諸多疾患之癥結所在，而且將有力地推動類腦智能的深度開發利用。千百年間，人類從未停止過對大腦的探索。近現代醫學、生物學體系逐步完善帶動了人腦研究不斷向縱深發展。伴隨著新一輪科技革命和產業變革浪潮，世界主要經濟體紛紛加大投入力度，前瞻布局腦科學和類腦智能，力圖揭示人腦的生命密碼和工作機理，引領生命科學、醫療健康、仿生科技、人工智能、軍事安防等前沿科技和未來產業的創新發展。

世界主要經濟體推出“腦計劃”的主要進展及影響

第一，世界主要經濟體“腦計劃”發展現狀。腦科學是研究大腦結構和功能的學科，旨在發現人與動物認知、意識、智能的本質及其規律，被視為理解人和自然的“終極疆域”①。過去十余年間，世界主要經濟體的大規模投入、高密度布局將腦科學推向了全球創新熱點和科技競爭焦點。2013年，歐盟、美國幾乎同步啟動了腦科學計劃。其中，歐盟的“人腦計劃”（Human Brain Project）首期獲得了來自“未來和新興技術旗艦項目”10億歐元的資助，該計劃意在發揮歐洲領先科研基礎設施的優勢，在神經科學、計算機以及與腦科學相關的醫學領域開展為期10年的科學探索和研發創新。同年，美國推出了“創新性神經技術大腦研究”計劃（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies，簡稱BRAIN），這項雄心勃勃的美國版“腦計劃”投入研究經費總計高達近50億美元，設立了生成多尺度大腦圖譜、認清人腦基本功能及工作原理、展示個體腦細胞和復雜神經環路時空相互作用機制等宏大且具象的科學目標。繼歐盟和美國之后，日本于2014年發布了名為“綜合神經技術用于疾病研究的腦圖譜”（Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies，BRAIN/ MINDS）的腦科學計劃，由日本文部科學省、日本醫學研究與發展委員會在10年內提供3.65億美元經費，用于繪制靈長類動物（狨猴）的腦圖譜，為精準了解人腦機理打下科學基礎。

第二，主要經濟體推出“腦計劃”的內在動因。除了美國、歐盟、日本，加拿大、澳大利亞、韓國等國家和地區也先后制定了獨立的腦科學和類腦智能計劃，或者做出了跟隨性的策略安排。值得注意的是，對人腦的深入研究及相關領域成果的集中產出業已持續了半個多世紀，此番主要科技和工業大國不約而同地實施“腦計劃”，背后有著更深層的動因。首先，從科學史的角度觀察，經過數輪科技革命，人類越來越迫近認知的“前沿線”。對于那些有關宇宙演化和生命本源的“根問題”，只有調動、集成多學科的知識積累，通過數理科學與生命科學、信息技術與材料科學、工程學與醫學的深度融合，才能實現顛覆性創新，獲得實質性突破，這也意味隨著重大科學發現和關鍵技術創新對團隊的依賴程度顯著提高，政府的戰略布局和創新規劃將在科學發展和科技競爭中發揮日益重要的作用。腦科學恰恰屬于人類認清自我的“根問題”，僅靠個人單打獨斗幾乎不可能攻克腦科學和類腦智能及其細分領域的科學難題，也很難走完科技成果產業化過程，政府主導的大型腦科學研究項目在一定程度上有利于撬動多元化的社會資本和科研資源，分散基礎研究難度大、投入多、周期長帶來的風險，克服前沿科技催生出的未來產業發展的不確定性。

其次，就現實需求而言，一方面，隨著人類壽命延長，加之社會生活日益多樣化、人際交往趨于復雜，世界范圍內自閉癥、抑郁癥、精神分裂癥、阿爾茨海默癥等與神經元發育不全、認知障礙、腦功能損傷相關的疾患發病人數快速增加。此類疾病不僅嚴重影響患者身心健康，而且給個人、家庭和社會造成了沉重的負擔。世界衛生組織預計，到2030年，抑郁癥的總體醫療負擔將躍升至世界第一位。對于人均壽命較長、精神壓力普遍偏大的發達國家來說，居民腦健康面臨的形勢更為嚴峻。目前，全球抑郁癥的平均發生率約為3.1%，發達國家這一比率接近6%，不斷激增的醫療支出和社會成本導致政府、家庭、公共衛生系統不堪重負。另一方面，作為新一輪科技革命的通用技術和主導產業，近年來人工智能技術突飛猛進，在多個方向上開始轉入產業化、市場化、規?；瘧秒A段。從技術演進的動力及趨勢上看，人工智能未來發展歸根結底取決于腦科學和類腦智能的關鍵性突破。只有全面吸收、融合來自認知體系結構、計算神經科學與人工智能的科學理論及其進展，才能為真正意義上的腦機智能奠定科學性的未來②。主要發達國家的“腦計劃”正是基于上述兩方面的迫切需要，重點資助兩條研究主線：在發現大腦工作原理基礎上，一是探尋腦病的癥結，研發有效的藥物、器械和治療方案，提升腦健康水平，緩解老齡化社會壓力；二是開發出能夠模擬人腦運作原理的新一代信息技術和人工智能，嘗試在類腦微處理器和類腦計算架構上開展新型計算，進而拓展腦機接口、類腦計算芯片、人工神經網絡等具有產業化前景的應用方向。

第三，發達國家“腦計劃”進展情況。綜上可見，主要經濟體前瞻布局腦科學和類腦智能，既是科學活動自身發展的必然結果，也是面向現實需求的戰略選擇。同時還應看到，腦科學和類腦智能的蓬勃興起在很大程度上得益于前期積累的研究基礎和趨于完備的客觀條件。在這些因素共同推動下，美、歐、日的“腦計劃”經過近十年的實施和升級，總體上取得了以下方面的進展：

一是重要成果相繼涌現，實現了多項階段性目標。如在其國家“腦計劃”資助下，美國科學家于2021年發布了在分子水平上繪制的哺乳動物初級運動皮層細胞類型特征圖，該成果是迄今為止最全面、最細致展示哺乳動物大腦的科學圖譜；日本也在其“腦計劃”實施4年后完成了該項目的核心科學任務，成功繪制出狨猴大腦的3D圖譜，為研究人類帕金森癥的分子機制提供了實驗和病理依據；歐盟則提出了立足于充分實驗結果的全新人腦理論模型。二是搭建了腦科學研究平臺。其中，由26個國家、135家研究機構參與的歐盟“人腦計劃”需要整合的科研資源龐雜，因而歐盟十分注重平臺建設。自實施以來，歐盟“人腦計劃”先后建立了神經信息學、大腦仿真、神經計算、神經形態計算、人工智能機器人和醫療大數據6個科研和數據平臺。同時，打破“腦計劃”的體制邊界，向非計劃內（包括非歐盟）的科學家開放腦科學數據，促使歐盟“人腦計劃”發展成為全球規模最大的腦科學創新平臺。值得注意的是，發達國家的“腦計劃”均強調了數據的重要性。目前，美國、歐盟、日本、澳大利亞等國都在嘗試以不同形式開放、共享其腦科學研究和類腦智能開發取得的最新數據。三是開展多種形式的國際交流合作。在腦科學研究過程中創新跨學科、跨區域科研組織方式的必要性方面，主要經濟體已達成共識?，F階段，不僅在國家層面形成了框架性合作，而且各類科研機構、研發團隊以及科學家之間的跨國合作交流也呈現出多樣化、機制性的特點，由多國共同發起的國際腦科學計劃（IBI）等全球性國際合作組織日益活躍。四是各國“腦計劃”相繼完成升級，推動腦科學和類腦智能研究進一步深化。目前，歐盟“人腦計劃”已經完成“快速啟動”和“正式運作”兩個階段，轉入最后3年的“穩定實施”階段，科學家的工作重點開始聚焦于開發能夠模擬人腦運作原理的超級計算機和創新腦疾病的治療方案；2022年，美國確立了“腦計劃2.0”及新一輪科學目標，將在2020年—2026年交出全面的人類大腦細胞圖譜，繪制完整的哺乳動物大腦微連接圖譜，研制精確獲取大腦細胞類型的工具；日本則啟動了“腦躍升計劃”（Brain/Mind Beyond），設立了發現和干預初期的神經疾病、分析從健康狀態到患病狀態的大腦圖像、開發基于人工智能的腦科學技術、比較研究人類與靈長類動物的神經環路、劃分腦結構功能區域并開展同源性研究五大研究重點。

發達國家“腦計劃”實踐表明，進入21世紀，科學范式演進推動了創新機制和科研組織的變革，探索人腦奧秘這類“根問題”不再囿于科學家個人的學術理想和研究興趣，亦非局限于研發團隊或科研機構的短期目標和單一方向，而是已然上升為國家戰略，并以政府多方位參與，通過大規模、高強度、跨學科、長周期的協同創新方式來組織實施③，同時也反映出新科技革命引發全球科技競爭不斷升級，呈現出不斷向基礎學科、前沿領域、未來產業前移和擴散的態勢。

中國腦科學體系建設及特點

雖然處在不同發展階段，國情存在差異，但我國推動腦科學研究和類腦智能開發所面對的客觀需求卻與發達國家有相似之處。從腦疾病發生現狀和趨勢看，中國人口眾多，工業化、城鎮化的后發特征突出。在由傳統社會加速向工業化現代社會轉型過程中，隨著物質財富積累、生活水平提高，生產生活方式巨變也帶來了一系列社會沖擊和精神壓力，精神類疾病發病率隨之快速上升。同時，我國人口老齡化規模大、進程快、高齡化程度高，由此引發的各類老年性腦疾病患病人數逐年增長，導致醫療、助老、養老負擔急劇攀升，認知障礙等腦疾病的總體負擔排名已經超過了腫瘤、心血管疾病等重疾，加劇了中國社會“未富先老”的隱憂和矛盾。另外，腦疾病還是我國致殘致死率最高的病因之一，其發病機理亟待揭示，提供有針對性的解決方案迫在眉睫。

再從類腦智能開發的動因看，我國工業體系完整，國內市場規模龐大，為人工智能發展提供了豐富的應用場景。近年來，相關領域研發創新、場景開發、資本運作日益活躍，對制造業、安防技防、公共衛生的賦能效應顯著增強?，F階段，在人工智能領域，我國與主要發達國家各有優勢，一些細分方向上處在同步并跑的水平，但對于這樣一個急劇擴張又充滿不確定性的新興行業而言，市場主體的技術積淀尚不夠厚重，各國產業優勢并不穩定。一旦發生顛覆性技術突破和關鍵性商業模式創新，必將打破產業組織和競爭格局，削弱先發優勢。如前所述，這一賽道的終極對決很可能會落在模擬人腦、復刻人腦的層面，因而作為人工智能產業大國，腦科學和類腦智能毫無疑問將成為我國科技戰略和重大創新工程的必選項。

瞄準全球科學發展新熱點和科技競爭新趨勢，我國高度重視腦科學和類腦智能的戰略布局。2016年編制的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》將“腦科學與類腦研究”列為國家重大科技創新和工程項目；2021年，科技部發布了《科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》，僅2021年國家就計劃投入近31.48億元資金，以資助相關領域重大項目的形式推動“中國腦計劃”④加快落地，預計后續經費投入將會更多。與此前發達國家推出的“腦計劃”相比，我國腦科學和類腦研究在挑戰前沿領域、攀登科學高峰、增進人類福祉、培育未來產業等方面有相近的導向，又在學科體系構建、科學目標設置、項目組織實施、產業化方向上表現出鮮明的特色。

第一，確立了“一體兩翼”的腦科學和類腦研究體系。這里的“一體”是指“理解腦”，通過從分子細胞、功能環路、全腦網絡到認知行為的多維度研究，以研究腦認知的神經原理為主導方向，對認知形成的基本原理進行系統性科學探索，旨在發現規律、指導應用。這部分工作屬于典型的基礎性研究，也是中國腦科學體系的核心和主體；“兩翼”則各自對應“修復腦”和“模擬腦”，前者要求建立腦疾病診斷與干預方法，強調重大腦疾病預防、診治及數據積累，后者著重推進與腦機智能相關的理論、算法和硬件開發，這“兩翼”分別呼應了腦科學和類腦研究指向的兩大社會需求——腦健康水平提升和人工智能深度開發。其中，“一體”貢獻科學發現，為“兩翼”提供理論支撐；“兩翼”助推理論成果落地，產出經濟和社會效應，三者同頻共振。在這一體系架構下，《科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》圍繞腦認知原理解析、認知障礙相關重大腦疾病、類腦計算與腦機智能、兒童青少年腦智發育研究、技術平臺建設五大領域，部署了59個研究方向?？傮w上看，中國腦科學和類腦研究內容更加廣泛，學科脈絡非常清晰。

第二，形成了“兩個中心、多點協同”的區域格局。鑒于腦科學研究對頂尖科學家和優質創新要素有很高要求，顯然更適合開展集聚創新，因此，根據中國“腦計劃”布局，北京、上海均已啟動“腦科學與類腦智能”地區性計劃，并開始資助相關研究項目。對于北京和上海來說，其具有高校和科研機構云集、研究基礎扎實、人才流動便利、國際化程度高、地方政府扶持力度大等突出優勢，在這兩地建立腦科學與類腦研究中心，打造世界一流的腦科學研究高地，可為開展更緊密的國際交流合作創造有利條件。

第三，設置了較為具體的科研目標。我國腦科學和類腦智能研究沿用現行的基金項目管理方式，發布了包括定向委托項目、定向擇優項目、公開擇優項目、平臺項目，以及專設的交叉學科和青年人才項目等多種形式的研究項目。與此同時，對一些細分領域項目完成情況進行量化考核，如提出通過建立中國人腦健康多維度大數據庫，將孤獨癥、抑郁癥、阿爾茲海默癥等主要腦疾病國際臨床指南中的中國證據提升至超過三分之一等。

第四，類腦智能成為地方政府重點推動的未來產業?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出，要在類腦智能、量子信息、基因技術、未來網絡、深?？仗扉_發、氫能與儲能等前沿科技和產業變革領域，前瞻謀劃布局一批未來產業，為壯大前沿科技創新實力、攻克關鍵技術、塑造未來產業生態、應對激烈的大國競爭提供了有力支撐。在國家戰略引導下，地方政府積極跟進，多個省市將類腦智能及相關領域作為著力發展的未來產業納入當地“十四五”發展規劃，包括上海的腦機融合，山東、遼寧、重慶的類腦智能，以及浙江的類腦芯片等。

當前全球腦科學和類腦智能研究面臨的挑戰與前景展望

第一，目前全球腦科學和類腦智能研究尚未實現系統性突破。近年來，在各國積極開展戰略部署的推動下，腦科學和類腦智能引起了各界高度關注，相關領域投入力度持續加大，創新活動日益活躍，具有引領性的成果不斷涌現，產業化應用亮點頻出。但客觀地看，該領域并未發生系統性、整體性突破，也沒有迎來科學界公認的革命性貢獻，研究成果的階段性、分散性特點突出。大數據和人工智能的廣泛應用為腦科學研究提供了有力手段，腦病研究需要大樣本支持，腦神經圖譜的生成同樣倚重大數據，然而迄今為止，人類對人腦工作機理的了解仍非常有限，僅占人腦全貌的約5%—10%，尚有大量基礎性科學問題有待破解，由腦科學衍生出的生命健康、人工智能、仿生科技等未來產業發展仍存在諸多不確定性。出現這種狀況的根本原因在于人腦的生理構造十分復雜，盡管有了生命科學和大數據等領域的最新工具和成果作為支撐，但腦科學研究難度大的局面未能從根本上扭轉，對腦結構和功能的認識始終面臨解剖、顯微成像、弱信號檢測等技術的限制。

第二，腦科學和類腦智能領域國際合作不夠充分。雖然發達國家之間在相關領域的交流合作相對較為順暢，但總體而言，在新工業革命初期，為搶占新興領域制高點，全球科技和產業競爭多于合作，美西方加緊爭奪優質科技資源，對包括頂尖科學家在內的高端要素流動設置障礙，不利于腦科學和類腦智能及相關領域開展開放式集成創新。

第三，腦病研究與類腦智能開發需進一步融合。作為“一體兩翼”的兩條科學脈絡，相互促進為“一體”服務，但現階段乃至未來一段時間內，在學科分立、研究方法、數據共享等方面，這“兩翼”之間的融合發展有待進一步加強?？梢钥吹?，腦病研究與類腦智能開發及其各自的細分領域較為不同。不僅參與主體不同，價值實現也面臨著明顯的差異和分化。腦病研究主要由政府推進，以科研機構和醫療單位為主體，而由于類腦智能在很大程度上決定了未來人工智能技術演進和硬件迭代的方向，因而吸引了政府、企業、社會資本等多元化的參與方，類腦智能作為未來產業的投資前景和價值創造的潛力逐漸釋放。此外，腦機接口技術雖未達到自然交互的溝通速度和準確性，但正在努力克服人體排異反應及顱骨向外傳輸信息的減損等難題，技術爆發同樣值得期待⑤。相比之下，對于認識腦和保護腦這類公共性強、競爭性偏弱的領域，長期高額投入可能僅帶來社會效益的回報，換言之，投入回報更多地體現在降低社會成本而非直接創造經濟價值。

第四，腦科學和類腦智能研究的科學倫理是不容回避的問題?？茖W倫理的話題始終伴隨著各國“腦計劃”的實施，美國、日本等國家均在其“腦計劃”中提出了倫理指南，或者設立了與生命倫理有關的專門部門。需要清醒地認識到，腦科學和類腦智能的科學倫理治理實則面臨著“兩難”，在這一高度敏感、風險多樣化的科學領域，如何實現既有效激勵探索和創新，又不觸碰倫理風險和道德底線，這不單取決于公共治理水平的高低，也是對科學家及團隊自身的長期考驗。特別是面對該領域的科學活動和產業化進程主要由少數大國推動，卻需要欠發達國家和地區不同性別、種族的群體貢獻實驗樣本和個人數據的不均衡、不協調局面，科學倫理問題變得尤為尖銳。因此，腦科學和類腦智能的倫理治理除了需要解決科技資源籌集及其配置的效率問題，更要預判重大風險，合理分配道義責任。

即便困難重重，但時至今日，全球腦科學和類腦智能開發熱度不減，仍是國際科技競爭的焦點領域和未來產業培育的重要方向。無論從研究開發的深度、難度，還是從核心成果的潛在影響力來看，對人腦的探索和認識不僅需要大規模的長期投入，而且有必要形成一整套包容更多創新失敗、消納產業化更大不確定性的機制性安排，同時還應具備深入推進國際合作，并在依法保護知識產權前提下，對相關領域的基礎性重大成果向全世界開放、實現人類共有共享的視野和格局。

為此，應密切追蹤全球腦科學和類腦智能發展動向，在現行“一體兩翼”架構下，面向老齡化社會的緊迫需求，鼓勵科研機構樹立原創導向，開展跨學科交叉研究，探索形式多樣、靈活有效的激勵機制。立足超大規模國內市場，著力攻克類腦芯片、人工神經網絡、腦機接口等核心技術和關鍵硬件，突破人工智能發展中的數據、泛化、能耗等瓶頸，鞏固提升我國人工智能大國的地位。同時，堅持開放創新，資助跨國團隊的合作研究，共同培養腦科學和類腦智能領域的青年科學家。凝聚國際共識，建立完善與腦科學和類腦智能相關的科學倫理治理框架和規范體系，通過更廣泛的對話，形成更包容的輿論導向，消除生命倫理、數據安全、隱私保護以及責任劃分等方面的風險，為相關領域的科技研發、科研管理、產業應用等人員提供道德、倫理、法律等方面的培訓，提高倫理風險的識別能力和安全事件管控水平，促使腦科學和類腦智能的重大科學發現及產業化應用能夠持續惠及產業發展、人類健康和社會進步。

（作者為中國社會科學院工業經濟研究所二級研究員，中國社會科學院大學應用經濟學院博導）

【注：本文系中國社會科學院創新工程項目“新興產業高質量發展研究”（項目編號：GJCX202001）階段性成果】

【注釋】

①張學博、袁天蔚、張麗雯、朱成姝、熊燕、阮梅花：《2022年腦科學與類腦智能發展態勢》，《生命科學》，2023年第1期。

②曾毅、張倩、趙菲菲等：《從認知腦的計算模擬到類腦人工智能》，《人工智能》，2022年第6期。

③李萍萍、馬濤、張鑫等：《各國腦計劃實施特點對我國腦科學創新的啟示》，《同濟大學學報（醫學版）》，2019年第4期。

④我國并未正式宣布實施“腦計劃”，從其資助方向、目標設置、學科發展等方面來看，各界普遍將《科技創新2030——“腦科學與類腦研究”重大項目2021年度項目申報指南》視為“中國腦計劃”。

⑤徐晨：《腦科學與人工智能技術融合發展研究》，《新型工業化》，2022年第7期。

責編/賈娜 美編/楊玲玲