· 5年过去了,中国“脑计划”进展如何?

浏览:43 作者: 来源: 时间:2019-07-08 分类:媒体视觉
摘要:当航天器早已搏击长空,潜水器早已漫游深海,DNA双螺旋结构已经揭示,人类基因组图谱已经绘就,我们却对创造了这些奇迹的人类大脑知之甚少。中国“脑计划”会带来改变吗?


      作为人类,我们能感知,有思维;能学习,有情绪;能言语,有意识……所有这一切,全是因为我们有一个无与伦比的大脑——它重约3磅(1.36千克),却如无垠宇宙一般复杂、神秘。  当航天器早已搏击长空,潜水器早已漫游深海,DNA双螺旋结构已经揭示,人类基因组图谱已经绘就,我们却对创造了这些奇迹的人类大脑知之甚少。因而,在科学界,探索“三磅宇宙”的奥秘,被认为是人类认识自然的“最后的疆域”。  对此,最早呼吁、推动中国“脑计划”成立的科学家之一、复旦大学脑科学研究院学术委员会主任杨雄里院士,急切之情溢于言表:“最后的疆域”已成为各科技强国“厮杀的战场”,中国“脑计划”宜尽快实质性启动。


杨雄里,1941年生,中国科学院院士、神经生物学家、生理学家,中国“脑计划”筹建者和推动者之一。

 


 

►探索“最后的疆域”,注定是个漫长过程


现代脑科学奠基人之一的西班牙科学家卡赫曾说,“只要大脑的奥秘尚未大白于天下,宇宙将仍是一个谜。”人类大脑仅仅3磅重,却为何这般让人难以琢磨?


      杨雄里:在科学界,探索脑的奥秘通常被认为是人类认识自然的“最后的疆域”。科技越发达,人们越见识到了脑的复杂性。 


      尤其是当实证科学进入脑研究领域时,人们发现,脑这个系统实在是太复杂了:它由上千亿个神经细胞(神经元)组成,而这些细胞又通过百万亿个特殊的连接点——专业术语叫“突触”——成群地聚集在一起,形成众多的神经环路或网络,这是脑实施感知、运动控制、学习记忆、情绪等功能的基本单元;而这些神经网络之间,又有着千丝万缕的联系,由此产生意识、认知、思维、推理、归纳等复杂功能(统称心智);不仅如此,这些环路的特性、彼此间的联系,还随着脑的发育而不断发生变化,甚至在脑发育成熟后,还会进一步被各种因素所修饰、调制,即随着内外环境的变化,乃至神经活动本身的变化而变化,这就是脑的可塑性。 


      比如,大脑的海马区以及许多其他脑区存在着所谓的“长时程增强”现象,即在学习过程中,某些特定神经元之间突触结构、神经活动均会发生变化,突触间联系的程度会增强。可以说,没有脑的可塑性,就没有人类的学习能力、记忆能力,也就没有了人类的智力。这种可塑性发生在分子、细胞、突触、网络等多个水平,在不同的脑区又有各自不同的特征,可谓变化无穷。  与这样一个无比庞大、无比复杂、又不断变化的系统打交道,其艰巨性可想而知。 


人类在很多方面高歌猛进,那在脑科学领域进展得怎样? 


      杨雄里:应该说,这个领域的科学家们干得非常出色,我于1963年开始我的研究生涯,那正是脑科学——更学术的称谓是神经科学——作为一门统一的、综合性学科诞生的前夜,因而有幸完整见证了这门学科的迅猛发展和辉煌成就。尤其是近年来,科学家们对脑和神经系统的工作原理及其机制的研究日新月异,新的发现接踵而至,新的成果不断涌现,新的理论层出不穷。 


是什么造成了近年来的这一次次突破? 


      杨雄里:这一方面是因为细胞生物学、分子生物学的大发展,在理论和技术上都为神经科学提供了有力的工具,使我们在最基本的层次,即细胞和分子的层次上,对神经细胞产生神经冲动,对神经细胞间信号传递的规律,对神经系统活动的基本原理,以及对神经系统疾病的发病机制的认识,都出现了革命性的变化。

 

      与此相映照,近年来无创伤脑成像技术、多导程脑电图记录术、经颅磁刺激术等技术的出现,使得我们可以对脑实施功能时不同脑区大群神经元的活动及其动态变化进行检测和分析,这形成了脑科学的另一个重要发展趋势。这方面的研究回答的是另一类问题,其核心是:不同脑区神经元活动如何协同以实现脑的高级复杂功能;而在病理条件下,这些活动又发生了何种变化,导致脑功能的紊乱。这是对细胞、分子水平方面的研究的重要补充。 


      以上两方面的研究互相推动、互相促进,刷新了脑科学的面貌,使我们对脑的奥秘的探索向前跨进了一大步。这些令人瞩目的进展使脑科学成为自然科学领域中最富有生命力的领域之一,近年来,诺贝尔生理学与医学奖频频授予神经科学家,迄今为止的诺贝尔生理学与医学奖中,有四分之一的奖项与神经科学相关。从每年北美神经科学大会的参会人数来看,脑科学的从业人员也已经远远多于生命科学的任何一个学科。 


科幻电影中非常酷炫的“读心术”、“盗梦”在将来会不会成为现实?或者,人们有一天能否像电脑拷贝文件那样毫不费力地快速学习? 


      杨雄里:不能说一定不可能,但在我看来,在可预见的未来,这些都还只能是科学幻想。 


      之所以这么说,是因为我们对脑(心智)的了解仍然是极肤浅、极有限的,就好像一名探险者刚刚发现了新大陆周围星星点点散落的岛屿,而广袤无垠的大地还是一片未开垦的处女地。  人类的思维变化无穷,游移不定,难以捉摸;而即使十分严格地控制环境条件,梦境也难以重复出现。也就是说,虽然心智的产生无疑是神经细胞活动的结果,但当物质运动升华成精神时,会产生许多迥然不同的性质特点,需要运用不同的规律、不同的视角、不同的手段和方法去了解它,而我们至今显然还缺乏强有力的研究工具去触及问题的核心。在这种情况下,何言“读心”、“盗梦”?  探索“最后的疆域”,注定是个漫长的过程。


►与相关科学的结合,会孕育出新的产业



在这个注定漫长的过程中,人们不懈努力的动力是什么? 


      杨雄里:我们是通过大脑来认识自然、认识世界的,现在又要通过大脑来认识大脑是怎么工作、怎么活动的,这是一个重大的挑战。在很长一段时间里,人们甚至怀疑人类到底能不能通过自己的大脑来认识大脑本身,但现在看起来,科学家们在这方面做得非常出色,他们对脑和神经系统的了解进展得非常快。探索脑的奥秘源于我们对认识自身的久远的渴求,而这种探索揭示的神奇现象又成了推动这种探索的原动力。 


      比如,脑科学研究的热点领域之一就是展开对主要脑疾患,如老年性痴呆、帕金森病、精神分裂症、抑郁症、自闭症、中风等的病因和发病机制的研究,以及在此基础上研发早期诊断指标和新的治疗对策。  上观新闻:脑疾病已成为对人类健康影响最严重的疾病之一,一个老年性痴呆症患者,或是一个自闭症儿童,都会拖垮整个家庭。  杨雄里:而且还带来了沉重的社会负担。据2011年世界卫生组织报告,全球脑疾病的社会负担已占所有疾病总负担的19%,超过了心血管疾病的11%和癌症的7%。脑疾病预防和治疗的进展,与人类社会的发展息息相关。 


从2013年开始,美国、日本、欧盟相继推出“脑计划”,脑科学为什么在这个时间点获得了如此前所未有的关注?

 

      杨雄里:除了前面讲到的脑科学研究的重要性,另外一个重要因素是,脑科学与信息科学、计算科学及其他工程科学之间的联系,正变得越来越紧密,彼此间的互动正变得越来越活跃。  脑本质上是一个庞大且复杂的信息处理系统,据估计,人脑中每秒完成的动态链接高达千万次量级,可储存的信息量相当于美国国会图书馆藏书总量所包含信息的50倍。不仅如此,脑科学已在若干组构层次上揭示出大脑信息处理与传统计算机迥然不同的特点:脑在相当大的程度上是信息平行处理系统,信号同时在几百万条通路中被处理,它比传统的串行计算系统有极大的速度优势,而且有较高的容错性、很强的功能持久性;同时,平行系统以分布的形式存储信息,各部分的检索、存取都可在极短的时间内完成,这对于生物通常面临的计算,如认知和识别,都十分有效,能很好地适应不断变化的复杂的自然和社会环境。 


这方面研究的突破,必然会对人工智能的研发带来极大的启发。 


      杨雄里:对。实现人工智能的路径有两条:一是不考虑脑的工作机制,仅从计算科学的角度来设计和考虑;二是借鉴脑处理信息的特点来推进人工智能的研究,即类脑人工智能。目前,前者更热门一些,但后者难度更大,意义也更深远。 


      借鉴脑的处理信息的特点,科学家们有可能研发出新的信息处理系统和新的人工智能系统。类脑人工智能的核心在于脑科学、计算科学、信息科学、医学等学科领域密集的交叉融合,它将有力地推进新的产业革命,甚至改变社会范式。反过来,它也会为脑科学研究提供更有力的方法和手段,乃至提供新的思路。  因此,类脑人工智能研究成了各国脑计划的重要组成部分,它和脑工作原理的基础研究相互促进,将成为未来科学研究和产业革命新的爆发点和增长点。 


也就是说,脑研究在今天已经不仅是个科学命题了,还是个经济命题、发展命题? 


      杨雄里:是的。举个例子,瑞士研究人员研发了“神经形态芯片”,直接在微芯片上模拟神经元和突触的生物学属性,实时处理输入信息并作出回应。这些芯片具有短时记忆和决策分析机制,能够实时执行复杂的感觉运动任务。如果将这种“神经形态芯片”与视觉、听觉等传感性神经形态元件相结合,也许就能制造出可与周围环境实时交换信息的复杂认知系统,能使失明者、失聪者重获视听觉,可能会发展成一个重要产业。 


      事实上,类脑人工智能技术正在快速推广到互联网、金融投资与调控、医疗诊断、新药开发、公共安全等一系列关系到国计民生的重要领域,将引发新一轮产业革命。甚至在国防安全上,脑机接口和人机智能交互等技术开辟了新的军事前沿领域,“认知战”、“心理战”等将形成新的战略威慑力量。 


      总之,脑科学具有多学科协同的大科学和工程性质,它的发展必将深刻影响人类文明社会进步、经济发展和国家安全。2000年获诺贝尔生理学与医学奖的埃里克·坎德尔曾经有过一个精彩的总结,他说:“心智的生物学研究并非只是前景远大的科学探索,也是重要的人文方面的追求;它架设起自然科学和人文科学间的桥梁。这是一种新的整合。其成果不仅将使我们更好地认识神经、精神疾患,也将加深对我们自身的了解。”


►一定要把中青年科学家放在第一线



美、日、欧盟“脑计划”的大致情况是怎样的? 


      杨雄里:美国从上世纪90年代开始,就逐步加大脑科学研究的支持力度,老布什当政时期曾宣布20世纪最后十年为“脑的十年”。2013年4月,时任美国总统的奥巴马向全球公布了美国的“脑计划”——推进创新神经技术脑研究计划,拟在10年时间内用30亿美元资助美国脑研究,通过绘制大脑工作状态下的神经细胞及神经网络的活动图谱,揭示脑的工作原理和脑疾病发生机制,发展人工智能,推动相关领域和产业的发展。 


      日本也曾在2003年启动“脑科学与教育”计划,将脑科学研究作为国家教育发展的一项战略任务,进行面向教育理论和实际的应用研究。美国宣布“脑计划”后,日本紧随其后,也宣布了自己的“脑计划”。  欧盟在2007年开始的“蓝脑计划”的基础上,也启动了“脑计划”,投入超过10亿欧元,资助近80个研究团队,整合人脑的已有知识和最新发现,通过构建模拟人类大脑活动模型,加深对人脑功能及其异常的认识,并开发新的计算和机器人技术。 


美、日、欧盟在2013年的密集动作,促使您迅速组织60多位科学家联名写信,呼吁成立中国“脑计划”? 


      杨雄里:应该说,当时科技部、教育部的领导们也已经在酝酿筹建中国“脑计划”了,我们的联名信可能起了加速的作用。我们在联名信中向中央提出了“关于加强我国脑科学研究的建议”,汇报了我国脑科学研究的战略选择、实施步骤、研究内容、组织实施和保障措施等内容。联名信迅速得到有关领导的批示,之后我和其他几位科学家受科技部委托,于2014年3月22日至23日,在北京主持题为“我国脑科学研究发展战略研究”的香山特别会议,会上,大家就中国脑科学研究的许多重大问题取得了基本共识,中国“脑计划”正式破题。 


事实上,在中国“脑计划”之前,我国在脑与认知科学上已经有诸多部署,在很多重大项目中,您都是首席科学家。 


      杨雄里:我国在将脑科学列入第一个“973计划”(国家重点基础研究发展计划)之前,脑科学研究便已是国家的“攀登项目”了,我是“七五”、“八五”规划期间神经科学攀登项目的首席科学家,也是第一个“973计划”神经科学项目的首席科学家。 


      “973计划”先后启动了42项脑科学与脑疾病相关的课题,总投入近11.5亿元; 国家自然科学基金委启动了178项重大、重点课题,总投入近3.3亿元;中科院启动的“脑功能联结图谱”先导科技专项在10年中也投入了6个亿。这些投入虽然没法与发达国家比,但也极大地带动了中国脑科学的发展;特别是依托这些项目的实施,锻炼培养了队伍,为我们今天实施中国“脑计划”打下了坚实的基础。 


同时也给我们积累了哪些经验、教训? 


      杨雄里:与西方发达国家相比,我们的研究团队通常体量较小、力量分散,研究方向和内容不够集中,以跟踪和拓展国外的研究为主,创新和引领性的内容不多,整体研究水平还有相当差距。  更重要的是缺乏对“大科学研究计划”的设计、组织与操作经验,缺乏跨越性思维和整体、长远性的谋划,国际影响力和带动力不强。因此,在设计中国“脑计划”的时候,我们要注意避免成为国际科技计划的“原料厂”、“加工地”和“检测室”,而要从“理解脑”、“保护脑”、“模拟脑”这三方面来推进我国脑科学与教育、医疗卫生以及信息技术等相关领域的融合发展,形成有中国特色的“脑计划”。 


      中国“脑计划”从最初提出到现在,经多次研讨,具体内容不断调整,但总体框架不脱“理解脑”、“保护脑”、“模拟脑”这三方面。 


从2013年到现在,5年快过去了,各国“脑计划”有何进展? 


      杨雄里:美国“脑计划”进展最快。他们主要聚焦于获取大脑神经活动的动态图景,从而理解产生复杂认知行为的机制。整个计划共分7个方向,包括大脑的细胞分型、神经环路的解析、神经活动的记录、大脑功能的干预、理论和数据分析工具、人类神经生物学和交叉集成技术等。 


      截至今年4月19日,在美国“脑计划”的框架下,共发表论文341篇:在细胞分型方面,包括人脑神经元在内的单细胞水平的组学研究发展迅速,以视网膜为例,对内层细胞的分型和功能研究也有了突破性进展; 


      在神经环路的解析方面,果蝇、斑马鱼等动物模型上的全脑功能环路研究成果卓著,而哺乳动物的功能环路解析则更加精确;在神经活动记录方面,能实现自由活动小鼠中细胞类型特异性的神经元膜电位记录,植入式内窥镜钙成像技术也迅速优化和普及; 


      在理论和数据分析工具方面,对单细胞基因和转录组数据的分析敏感度更高且更准确。 


      总体看来,美国“脑计划”有效支持了一大批前沿探索类课题,大大提升了美国在神经科学方面的科研实力,使美国继续在神经科学领域领跑全球。 


中国“脑计划”进展如何?北京已成立了脑科学研究的“北京中心”,据说南方中心也在筹建中。 


      杨雄里:这几年来,中国“脑计划”在各方努力下不断往前推进:《十三五规划纲要》已将“脑计划与类脑研究”列为重大项目,具体实施方案的编写工作也已告一段落,中国“脑计划”可以说是呼之欲出了。

 

      如我之前在短文《为中国“脑计划”呐喊》中所说,当务之急是建立中国“脑计划”强有力的领导核心。这个领导集体应该具有把握脑科学发展全局的能力,对中国脑科学研究现状了如指掌,并具有组织、领导大科学项目的丰富经验;应该具有海纳百川、集思广益、从善如流的宽广胸怀,摒除以邻为壑的门户之见,以只争朝夕的精神,做好顶层设计,组织全国相关领域的优秀专家,特别是中青年专家,在民主、和谐的气氛下,全力推进“脑计划”的实施。 


      过去二三十年,在冯德培、张香桐这些中国神经科学先驱者们的指导下,我从一个中年科学家一步步成长起来,做了一些承前启后的工作。现在,更年轻的一代成长起来了,我的历史使命行将完成,应该把历史舞台让给中青年科学家。中国“脑计划”一定要把中青年科学家放在第一线,这对于这项研究的可持续发展将会有深远的意义。



      中国脑计划喧嚣尘上,你方唱罢我登场,看似一片繁荣景象,但大多数都是口水仗般的争论不休,甚至是瞄准的是国家科研经费的学术腐败的作秀。

      中鼎右脑、右脑赋能、浩然右脑,历经20余年的实践应用研究,研究以应用为切入点的漫长岁月中,磨砺出了具有普遍应用性质的唤醒大脑细胞生物机能的方式方法,多年的实践事实证明了真理的存在。


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