Sự trắc trở của dự án Tái tạo bộ não người trên máy tính
Điều ít ai ngờ là một dự án lớn, giàu tham vọng như vậy lại gặp quá nhiều thay đổi, tranh cãi, lúng túng trong điều hành, hồ nghi từ giới quản lý, tài trợ dự án và ngay cả chính cộng đồng khoa học.
Trải qua 10 năm với sự tham gia của khoảng 500 nhà khoa học, giờ đây dự án Human Brain (HBP) – một trong những nỗ lực nghiên cứu lớn nhất từng được Liên minh châu Âu tài trợ với mục tiêu táo bạo là hiểu được bộ não con người bằng cách mô hình hóa trên máy tính sắp kết thúc.
Trong quá trình thực hiện dự án, các nhà khoa học đã xuất bản hàng nghìn bài báo và đạt được những bước tiến đáng kể trong khoa học thần kinh, như tạo ra bản đồ ba chiều chi tiết của ít nhất 200 phân vùng não, phát triển cấy ghép não để điều trị mù lòa và sử dụng siêu máy tính để mô hình hóa các chức năng như trí nhớ và ý thức cũng như cải tiến các phương pháp điều trị các bệnh lý não khác nhau.
Nhưng điều ít ai ngờ là một dự án lớn, giàu tham vọng như vậy lại gặp quá nhiều thay đổi, tranh cãi, lúng túng trong điều hành, hồ nghi từ giới quản lý, tài trợ dự án và ngay cả chính cộng đồng khoa học.
HBP đã mô tả giải phẫu não người một cách chi tiết và phát triển các công cụ để liên kết cấu trúc và chức năng của não với biểu hiện gen.
Quá khứ trắc trở
Dự án HBP đã gây tranh cãi ngay từ khi khởi động hồi năm 2013. Một trong những mục tiêu chính là phát triển các công cụ và cơ sở hạ tầng cần thiết để hiểu rõ hơn về chức năng và tổ chức của não cũng như các bệnh lý của não, bên cạnh các dự án nhỏ hơn về khoa học thần kinh cơ bản và lâm sàng.
HBP đã được hứa tài trợ 1 tỷ Euro (1,1 tỷ USD). Cuối cùng, dự án đã nhận được 607 triệu Euro, bao gồm 406 triệu Euro từ Liên minh châu Âu, được triển khai qua bốn giai đoạn và các phòng thí nghiệm cạnh tranh nhau để được phân bổ tiền tài trợ ở mỗi giai đoạn.
Thomas Skordas, Phó tổng giám đốc bộ phận Truyền thông và Công nghệ của Ủy ban châu Âu tại Brussels, cho biết: “Khi dự án bắt đầu, hầu như không ai tin vào tiềm năng của dữ liệu lớn và khả năng sử dụng nó hoặc siêu máy tính có thể mô phỏng hoạt động phức tạp của não bộ”.
Và ngay trong năm đầu tiên, HBP đã gặp rắc rối. Người sáng lập và cựu giám đốc của dự án là nhà thần kinh học Henry Markram tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Lausanne (EPFL), cho biết HBP sẽ có thể tái tạo và mô phỏng bộ não con người ở cấp độ tế bào trong vòng một thập kỷ. Trước sư hoài nghi từ các nhà khoa học thần kinh về khẳng định này. Markram nói: “Khi khoa học vạch ra một lộ trình mới, tranh cãi sẽ tự nhiên xảy ra”.
Timothy O’Leary, nhà khoa học thần kinh tính toán tại Đại học Cambridge, không tham gia HBP, nhưng nghĩ rằng mục tiêu cao có thể là tiền đề để HBP cất cánh. “Nếu không đặt ra mục tiêu quá tham vọng như vậy thì chắc gì HBP đã nhận được tài trợ!”.
HBP không có ưu tiên rõ ràng và hạn chế hợp tác liên ngành khiến dự án đã không tận dụng được quy mô của mình và không thể gắn kết cộng đồng khoa học thần kinh bằng một mục tiêu chung.
Nhưng theo thời gian, nguồn tài trợ cho dự án gặp nhiều khó khăn, có nhiều tranh luận từ phía các nhà quản lý, và ngay cả trong chính cộng đồng khoa học về năng lực của ban điều hành. Vào năm 2014, Markram và hai thành viên khác trong ủy ban điều hành đã thay đổi trọng tâm của dự án, cắt bỏ một loạt nghiên cứu về khoa học thần kinh nhận thức, khiến mạng lưới 18 phòng thí nghiệm phải rời khỏi dự án. Markram cho biết đã có tranh cãi về tài trợ cho các nhánh nghiên cứu khác nhau, từ đó dẫn đến việc 150 nhà khoa học đã ký một lá thư phản đối, kêu gọi Ủy ban châu Âu xem xét lại mục đích của HBP để kịp thời cho vòng tài trợ thứ hai. Bức thư nói rằng HBP được quản lý kém và đã phần nào đi chệch hướng khoa học. Về phía mình, đại diện cho ban điều hành, Markram nói: “Rõ ràng là một số người trong cộng đồng khoa học thần kinh chưa sẵn sàng thống nhất dưới một tầm nhìn duy nhất”.
Sau đó EU đã thành lập một ủy ban gồm các chuyên gia độc lập để xem xét cách thức thực hiện dự án và sửa đổi các mục tiêu khoa học của dự án. Ủy ban khuyến nghị HBP nên đánh giá lại và trình bày rõ ràng hơn các mục tiêu khoa học của mình, cũng như tích hợp khoa học thần kinh hệ thống và nhận thức vào chương trình cốt lõi. Vào tháng 2/2015, hội đồng quản trị của HBP đã bỏ phiếu giải tán ban điều hành gồm ba thành viên và thay thế bằng một hội đồng lớn hơn.
Sự hỗn loạn này khiến một số nhà khoa học càng hoài nghi, cảnh giác với dự án.
Trong khi đó, cuộc đua nghiên cứu lớn về não bộ ngày càng nóng lên, các dự án nghiên cứu lớn về não bộ đã được triển khai hoặc khởi động tích cực ở những nơi khác. Cùng thời điểm, cả Hoa Kỳ và Nhật Bản đều triển khai các dự án nghiên cứu não bộ, dự án ban đầu sẽ tiếp tục cho đến năm 2026 và dự án sau đó dự kiến sẽ được thực hiện thêm 15 năm nữa. Dự án của Trung Quốc bắt đầu vào năm 2021, còn các dự án của Úc và Hàn Quốc đều đã bước sang năm thứ bảy.
Những thành tựu ấn tượng nhất
Dù vấp phải những rắc rối trong quản lý, HBP đã tích lũy được những hiểu biết quan trọng và hữu ích trong nghiên cứu não bộ. Bằng cách tạo và kết hợp các bản đồ 3D của khoảng 200 cấu trúc vỏ não và vùng não sâu hơn, các nhà khoa học của HBP đã tạo ra Atlas não người. Atlas mô tả tổ chức não đa cấp độ, từ cấu trúc tế bào và phân tử đến các cấu phần chức năng và các kết nối của nó. “Atlas não người như một dạng Google Maps”, Amunts cho biết trong cuộc họp báo tại Hội nghị HBP 2023 hồi tháng ba vừa qua.
Atlas đã sử dụng dữ liệu não sau khi chết để tạo ra các bản đồ tiêu chuẩn hóa, tính đến sự khác biệt giữa các biến thể tự nhiên giữa người với người. Bằng cách sử dụng atlas, các nhà khoa học của HBP đã xác định được sáu phân khu chưa được biết đến trước đây ở vùng vỏ não trước trán có vai trò hỗ trợ trí nhớ, ngôn ngữ, sự chú ý và xử lý âm nhạc. Nó cũng liên kết các bản đồ của mình với dữ liệu biểu hiện gene trong Allen Human Brain Atlas, một cơ sở dữ liệu được phát triển bởi Viện Khoa học Não Allen ở Seattle, Washington, để mô tả các tế bào thần kinh trên não. So sánh tương quan giữa hai atlas đã tiết lộ những thay đổi biểu hiện gene liên quan đến trầm cảm có ảnh hưởng như thế nào đến những thay đổi về cấu trúc và chức năng ở một phần vỏ não thuộc vùng trán.
Các nhà nghiên cứu của HBP cũng đã phát triển các thuật toán độc đáo có thể xây dựng khung mô hình đầy đủ về các vùng não từ hình ảnh hiển vi. Bằng cách sử dụng công cụ này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một bản đồ chi tiết vùng CA1 ở hồi hải mã, một khu vực quan trọng đối với trí nhớ. Bản đồ chứa khoảng 5 triệu neuron và 40 tỷ khớp thần kinh.
Tuy nhiên, dự án cũng không đạt được mục tiêu mô phỏng toàn bộ bộ não con người – một mục tiêu quá tham vọng. Yves Frégnac, thành viên HBP, một nhà khoa học nhận thức và giám đốc nghiên cứu tại cơ quan nghiên cứu quốc gia Pháp CNRS, cho biết dự án đã phải thay đổi hướng đi nhiều lần và kết quả khoa học cũng đã trở nên “phân mảnh”. Giờ đây “tôi không nhìn thấy bộ não; Tôi chỉ nhìn thấy các phần của bộ não,” Frégnac nói.
Dự án HBP hy vọng sẽ đưa sự hiểu biết này tiến một bước gần hơn với một nền tảng ảo – được gọi là EBRAINS. EBRAINS là bộ công cụ và dữ liệu hình ảnh mà các nhà khoa học trên thế giới có thể sử dụng để chạy mô phỏng và thí nghiệm kỹ thuật số. Viktor Jirsa, nhà khoa học thần kinh tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp và là thành viên hội đồng quản trị HBP, cho biết: “Ngày nay, chúng tôi có tất cả các công cụ trong tay để tạo ra một bộ não song sinh kỹ thuật số thực sự”.
HBP đã chuyển một số phát hiện sang các ứng dụng lâm sàng, sử dụng các mô hình não được cá nhân hóa – hay còn gọi là ‘cặp song sinh kỹ thuật số’ – để cải thiện các phương pháp điều trị bệnh động kinh và bệnh Parkinson. Cặp song sinh kỹ thuật số là sự kết hợp các bản quét não một người với một mô hình, Jirsa giải thích.
Jirsa và các đồng nghiệp đã tiến hành một thử nghiệm lâm sàng có tên EPINOV vào tháng 6/2019, để đánh giá các mô hình kỹ thuật số được xây dựng bằng dữ liệu quét não có thể giúp xác định nguồn gốc của cơn động kinh và cải thiện tỷ lệ thành công của phẫu thuật điều trị bệnh động kinh hay không. Jirsa nói rằng đây là điều mà ông không thể làm được nếu không có nền tảng EBRAINS của dự án HBP.
Thử nghiệm EPINOV đã thực hiện trên 356 bệnh nhân tại 11 bệnh viện của Pháp. Jirsa hy vọng sẽ cung cấp dữ liệu hình ảnh từ thử nghiệm cho các nhà nghiên cứu khác thông qua EBRAINS.
Kế hoạch dự án ban đầu của HBP bao gồm phát triển các hệ thống máy tính vận hành như bộ não. HBP đã đóng góp kiến thức về mạng lưới thần kinh có thể mô phỏng các hệ thống tương tự bộ não, cũng như kiểm tra ý tưởng về cách thức hoạt động của não hoặc để điều khiển các phần cứng khác, chẳng hạn như robot hoặc điện thoại thông minh.
Không tạo ra được bức tranh tổng thể
Nhưng dù vậy, HBP chưa thể khỏa lấp được vấn đề đã tồn tại cố hữu trong nghiên cứu khoa học thần kinh lâu nay: sự phân mảnh. Frégnac nói: “Tôi thấy những ứng dụng rất sắc sảo, nhưng không thấy sự tích hợp nhiều cấp độ và không thấy những vấn đề lớn được giải quyết”.
Trong ba năm qua, HBP đã cố gắng khắc phục sự phân mảnh của các tiểu dự án liên ngành bằng cách kết hợp các công nghệ vào EBRAINS. Các sáng kiến trên sáu nền tảng của HBP bắt đầu phát triển các công cụ tương thích và tiêu chuẩn dữ liệu chung, đồng thời một số nhóm được tổ chức lại để tập trung vào các thách thức khoa học cụ thể thay cho từng chuyên ngành. Jirsa nói: “Nhưng còn rất nhiều việc phải làm. Ứng dụng lâm sàng của mảng neurorobotics còn kém.”
Các nhà khoa học đánh giá, kết quả khoa học rời rạc của HBP xuất phát từ sự thiếu tập trung. Là người đã rời khỏi dự án sau khi ký vào lá thư ngỏ phản đối ban điều hành, Fred Wolf, nhà vật lý thần kinh lý thuyết tại Đại học Göttingen, Đức, cho biết: “Tôi hy vọng một dự án kéo dài hơn mười năm sẽ tạo ra một bước đột phá về mặt khái niệm”, đó không phải là điều mà HBP có thể làm.
David Hansel, nhà khoa học thần kinh tại Trung tâm nhận thức và khoa học thần kinh tích hợp ở Paris, người không tham gia dự án, cho biết HBP không có ưu tiên rõ ràng và hạn chế hợp tác liên ngành khiến dự án đã không tận dụng được quy mô của mình và không thể gắn kết cộng đồng khoa học thần kinh bằng một mục tiêu chung. “Nó không có danh sách các câu hỏi quan trọng và hợp lý để giải quyết. Về cơ bản, mục tiêu mông lung của dự án là hiểu được bộ não”.
John Ngai, Giám đốc Sáng kiến Nghiên cứu Não bộ của Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ thông qua Sáng kiến Thúc đẩy Công nghệ Thần kinh Đổi mới (BRAIN) ở Bethesda, Maryland, tập trung vào phát triển các công cụ để lập danh mục, theo dõi và đo lường não, nghĩ rằng nên tập trung vào việc thu thập dữ liệu hơn thay vì làm khoa học được định hướng bằng các giả thuyết. “Khoa học không phải lúc nào cũng là những chuyến bay lên Mặt trăng, đặc biệt là khi các bước hướng tới các mục tiêu lớn còn chưa chắc chắn”.
Di sản?
Vào cuối tháng chín này, HBP sẽ hết nguồn ngân sách tài trợ. Mặc dù một số nghiên cứu xuất phát từ dự án đã nhận được tài trợ mới để tiếp tục, nhưng tương lai của nhiều nhà nghiên cứu đã làm việc một phần hoặc toàn thời gian với HBP vẫn chưa chắc chắn.
Amunts và những người khác hy vọng rằng HBP và nền tảng EBRAINS sẽ là nền tảng cho khoa học thần kinh châu Âu trong nhiều năm tới. Amunts cho biết: “Nghiên cứu về não đòi hỏi sự hiểu biết ở nhiều cấp độ và khía cạnh”.
Việc HBP chuyển hướng sang EBRAINS đã tạo ra một công cụ có giá trị. Các nền tảng tương tự tồn tại ở những nơi khác, nhưng chúng không đạt quy mô và tiện ích như EBRAINS. Vào tháng ba, Ủy ban châu Âu đã từ chối cấp 38 triệu Euro để duy trì hoạt động của EBRAINS, nhưng sau khi đàm phán với HBP hồi tháng sáu, họ đã mở ra cơ hội đăng ký khác. Nếu không thành công, nền tảng này sẽ phải dựa vào sự kết hợp giữa nguồn vốn tư nhân và hỗ trợ tài chính từ từng quốc gia EU.
Tất nhiên, sự kết thúc của HBP không phải là sự kết thúc của khoa học thần kinh ở châu Âu. Ủy ban Châu Âu và các quốc gia thành viên đang lên kế hoạch cho giai đoạn nghiên cứu sức khỏe não bộ tiếp theo, trong đó sẽ tập trung vào việc sử dụng các mô hình não cá nhân hóa để thúc đẩy việc khám phá thuốc và cải thiện các phương pháp điều trị các bệnh lý não.
