中國要成功建立一流的計算神經科學

■ 本刊記者 許惠英

中國要成功建立一流的計算神經科學

■ 本刊記者 許惠英

計算神經科學的重要性和潛在的廣泛影響已經引起了越來越多學者的關注。在今年3月23-25日北京舉行的“神經信息學與計算神經科學的前沿問題”為主題的367次香山科學會議上，來自中科院、浙江大學、上海交通大學等知名研究員與教授紛紛探討了這個令人激動又期盼的計算神經科學。為什么如此看重這個尚未成熟的學科？它的主要研究方向是哪些？我們怎樣抓住這個發(fā)展的機會？

一個正在成熟的新領域——計算神經科學

有目共睹的信息科學已滲透到科學的各個領域和社會經濟的各個領域，腦作為信息處理的“機器”，已經被科學家廣泛注意。耶魯大學醫(yī)學院神經生物系教授汪小京說：“無論是簡單的知覺、行動，還是復雜的情感、思維、學習、決策，都來自于我們的大腦。大腦是最復雜的生物器官，也是最神秘的‘計算機’。即使今天最快的超級計算機（中國的Nebulae今年排名世界第二），在重要的智能方面也不及人腦。”由于神經生物系統(tǒng)的信息處理功能遠遠超過現(xiàn)代技術水平，很多信息科學家紛紛把注意力轉向腦，希望從腦的機理研究中得到啟發(fā)，實現(xiàn)信息科學新的突破。了解大腦的生物學原理，包括從遺傳基礎到神經網絡機制，是21世紀最主要的科學挑戰(zhàn)之一。這個領域的發(fā)展將解開腦的奧秘，而且將會對社會發(fā)展的多方面產生深遠的影響。所以，神經信息科學已是發(fā)達國家相互競爭的科學制高點。我國已經把“腦科學與認知科學”列為《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》的八大科學前沿之一。”

對腦研究的一些新的成就，會在信息科學中引起重大突破嗎？計算機能代替腦嗎？腦和計算機究竟有何區(qū)別？人工智能是否真能實現(xiàn)？腦真的能與計算機相連嗎？伴隨著這些問題的提出，計算神經科學（computational neuroscience）運營而生。計算神經科學是神經科學、計算科學和信息科學相互交叉融合、探索腦－智力-計算之間的關系而形成的一門邊緣學科（交叉研究領域）。它也是一門跨領域的交叉學科，是把實驗神經科學和相關理論研究聯(lián)系在一起，運用物理、數(shù)學以及工程學的概念和分析工具來研究大腦的功能。用數(shù)學模型及方法作為工具來細致闡明大腦的計算原理。用數(shù)學分析和計算機模擬的方法在不同水平上對神經系統(tǒng)進行模擬和研究：從神經元的真實生物物理模型，它們的動態(tài)交互關系以及神經網絡的學習，到腦的組織和神經類型計算的量化理論等，從計算角度理解腦，研究非程序的、適應性的、大腦風格的信息處理的本質和能力，探索新型的信息處理機理和途徑，從而創(chuàng)造“腦”。它的發(fā)展將對智能科學、信息科學、認知科學、神經科學等產生重要影響。

科學家們認為大腦是一個異常復雜的動力學系統(tǒng)，具有多種反饋機制和多層時空結構，它的行為不能僅僅依靠直覺來理解，定量分析和從概念上深入闡明是至關重要的。隨著各項新技術，如高密度多電極記錄、用大量鈣敏感染料的雙光子成像技術、腦基因組學、腦連接組學的快速發(fā)展，未來數(shù)年里實驗數(shù)據(jù)將以空前的速度增加，要能解讀這些實驗數(shù)據(jù)，并據(jù)此提出和檢驗各種科學假說，新的計算工具和方法是必不可少的，需要投入人力和物力來研究。

計算神經科學研究的開始，在1988年前后，那時，，Sejnowski、Koch 和Churchland在美國《科學》雜志上發(fā)表了計算神經科學領域的“宣言”，至此，它作為一個新學科領域開始形成。可以說，計算神經科學得益于實驗神經科學、神經網絡理論和人工智能的發(fā)展。從一開始，它就吸引了大量來自物理學、認知心理學、數(shù)學和計算機等學科的科學家。在過去20年里，這個領域飛速發(fā)展，其中一個重要標志是，每年在美國、歐洲和日本等地都舉辦計算神經科學方面的年會（Cosyne、CNS、NIPS，每一個會、每屆均有數(shù)百名參會者）和暑期學校。然而，盡管它在迅猛發(fā)展，也才不過是小荷剛露尖尖角，剛剛開始，它為中國未來科學的發(fā)展提供了一個很好的契機。為此，學者們紛紛呼吁要及時把握這個契機，緊跟國際先進科研水平，投入更多的人力和財力，使中國科學家能在計算神經科學領域有所作為。汪小京在題為“21世紀中國計算神經科學展望”一文中提出：“中國要成功建立一流實驗神經科學，尤其是系統(tǒng)、認知神經科學，一定要發(fā)展配套的一流計算神經科學?！?/p>

計算神經科學的主要研究方向

許多學者提出了計算神經科學的主要研究方向，汪小京在“21世紀中國計算神經科學展望”中提出4個有發(fā)展前景的研究方向。

1.高維隨機的神經系統(tǒng)

目前，如何用數(shù)學方法來描述高維空間中的隨機性神經活動過程以及如何處理高維數(shù)據(jù)的方法甚少。

2.神經化學計算

細胞生物學研究顯示在神經元中存在大量的分子活動過程（包括細胞內鈣、cAMP、G蛋白、激酶、磷酸酶類等等）。我們知道它們包含了很多信息，也知道它們對長時程的突觸可塑性和神經調制等機能非常重要，但是對于它們在神經計算中的作用我們仍缺乏概念性的了解以及綜合理論。

3.大尺度神經環(huán)路的理論

我國對局部神經網絡（例如一個皮層區(qū)）的研究較多，而對包括許多部分的大神經組織結構和功能的機制了解甚少。不了解大尺度的神經環(huán)路是如何運作的。缺乏一套大尺度神經環(huán)路工作的基本理論。

4.認知的神經機制

認知科學和神經生理學之間仍還有較大的鴻溝，但近年來人們已經開始用精確設計的動物實驗，單細胞記錄和網絡模型模擬來研究一些關鍵的認知行為（如決策、工作記憶和選擇性注意）。一個神經生物學與認知科學相綜合的新領域正在形成，在這個新領域中，理論方法和建模將起著重要的作用。例如，社會認知學，它致力于了解社會行為及情感的腦神經基礎，這個研究將對社會產生大的影響，諸如發(fā)展培養(yǎng)兒童認知能力的新方法，改進經濟和金融抉擇理論，抗老領域里對老年認知功能的修復和增強等等。

抓住機會采取措施

為了促進計算神經科學取得富有成效的研究成果，我國需要建立一個理論和實驗科學家合作的機制，確保理論與實驗之間的雙向交流。

1.建立計算神經科學實驗和理論科學家合理組合的隊伍

建立合理的研究隊伍關系到計算神經科學的質量和方向。在上世紀90年代初剛剛興起時，美國Sloan基金會在這個領域建立了5個Sloan理論神經生物學研究中心，后來Swart 基金會介入，又建立了幾個新的研究中心，目前共有11個Sloan-Swartz研究中心。這些中心是實驗和理論科學家的一個合理的組合，很多計算神經科學領域的領軍人物大都屬于這些中心。多年來，Sloan-Swartz研究中心培訓了大量有物理學或其他計算科學領域背景的研究生和博士后，使他們成功地轉入計算神經科學領域。我國要在這個領域有所作為也需要建立一支像他們這樣的隊伍。

2.投入經費支持計算神經科學使之走向成熟

美國在這個領域的發(fā)展，得益于Sloan和Swartz基金會的遠見卓識和長期支持和重視。近年來,德國神經科學家和物理學家也能專心致力于這個領域的研究，是德國政府慷慨出資的結果。借鑒他們的經驗，專家們呼吁，我國應當在經費上給以大力支持，組建研究中心和開展研究工作，加快、加大后續(xù)研究梯隊的培養(yǎng)，同時給實驗科學家學習建模的數(shù)學知識及建模方法的機會。

3.用高性能計算設備支撐計算神經科學發(fā)展

“從未來的需求看，哺乳動物大腦有千億個神經元和百兆個突觸連接，要模擬它的真實模型，對當今最快的十佩塔浮點（peta-〈1015〉flop）運算量的超級計算機來說仍是一個挑戰(zhàn)。這就是為什么在日本的理化所（RIKEN)，大腦建模是他們‘下一代超級計算機研究與開發(fā)中心’的一個重要任務?！薄八?，建立起供神經系統(tǒng)模擬時需要幾千個快速處理器的計算機集群接入到最先進的超級計算機（（high-performance supercomputer）的計算平臺，是支撐計算神經科學發(fā)展的必要條件。實際上，這種研發(fā)也會對超級計算機的發(fā)展起到有力的推動作用。新的計算神經科學研究中心在這個方面應該成為領軍者，建立起有強勁的計算機集群（computercluster），接入到最先進的超級計算機（high-performance supercomputer）的計算平臺?！蓖粜【┱f。

國內首套無污染排放的直接制環(huán)氧丙烷中試裝置成功運行

由天津市科委主持推動的天津市科技創(chuàng)新專項資金支持，天津大沽化工公司與大學合作，建成具有自主知識產權的國內首套以丙烯和過氧化氫為原料直接合成環(huán)氧丙烷的年規(guī)模1500噸的中試裝置，解決了我國現(xiàn)有氯醇法制環(huán)氧丙烷帶來的廢渣、廢水問題，實現(xiàn)了無污染排放的綠色生產，為我國制環(huán)氧丙烷技術升級提供了技術支撐，達到國際先進水平，打破了發(fā)達國家長期以來對我國實施的技術壟斷。

環(huán)氧丙烷是一種十分重要、用途廣泛的有機化工原料和精細化工產品，用于生產環(huán)氧樹脂、合成甘油、氯醇橡膠、阻燃樹脂、紙基涂料等，廣泛用于化工、輕工、醫(yī)藥、電子、電鍍、交通運輸?shù)确矫妫袌鲂枨笫滞ⅰ，F(xiàn)有生產技術為氯醇法，因鹽度高很難處理以及環(huán)保問題，制約了生產能力擴大和產業(yè)持續(xù)發(fā)展。

2006年，圍繞環(huán)氧丙烷制造技術創(chuàng)新，投入天津市科技創(chuàng)新專項資金750萬元，支持大沽化工公司與天津科技大學、華東理工大學合作，從丙烯直接氧化制環(huán)氧丙烷的反應機理研究出發(fā)，歷經小試后研制出中試裝備并運行成功。目前，項目申請發(fā)明專利6項，環(huán)氧丙烷純度達到99.9%以上，形成了具有自主知識產權的新型環(huán)氧丙烷催化成套技術，具有工藝路線簡單優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保的特點，實現(xiàn)環(huán)氧丙烷的綠色制造和產業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前已開始萬噸級工業(yè)化裝置設計建設，基礎工程開始動工建設，其中控制中心完成基本建設。項目成為國內用高新技術改造提升傳統(tǒng)產業(yè)、節(jié)能減排的成功典范。

荷蘭開發(fā)出新型人工骨移植材料

荷蘭特文特大學的研究人員日前開發(fā)出一種生物材料，可用于骨移植手術當中，促進骨細胞的再生和受損骨組織的愈合。

目前因意外事故或骨腫瘤等原因導致的大面積骨缺損、骨損傷、骨不連以及整形美容手術中的骨改形或再造，主要有兩種治療方法：一是自體骨移植法，即從患者身體的其他部位（如臀部）切取大小適合的骨頭，而后植入到病變骨質缺損的部位；二是骨形成蛋白(bmps)法，即采用一種骨生長刺激藥物促使人體生成新的骨細胞，從而達到修復病患部位的目的。

但這兩種方法都存在不足。自體骨移植法可供移植的自體骨在數(shù)量上非常有限，而且接受這種療法的患者至少需經歷兩次手術（取骨和植骨），不但治療周期長，還存有一定的風險。而人骨形成蛋白不但價格極其昂貴，在體內精確定位上也有一定難度，如果該蛋白擴散到了不恰當?shù)奈恢茫蜁菇】档牟课怀霈F(xiàn)骨增生現(xiàn)象。

荷蘭特文特大學的研究人員稱，他們開發(fā)的這種生物陶瓷材料由多孔磷酸鈣制成，在植入人體后可刺激周圍的組織產生新的骨細胞，從而促進病患部位的骨組織愈合。隨著時間的推移，當病患部位的骨頭完全愈合時，該生物材料會完全分解，被新生成的骨骼代替。研究發(fā)現(xiàn)，這種方法能夠像自體骨骼移植方法一樣有效，并且還能完全避免現(xiàn)有療法的缺陷。該材料有望于近幾年內投入臨床應用。

英特爾著手開發(fā)用意念控制的計算機

據(jù)美國物理學家組織網8月26日報道，英特爾公司正在開發(fā)一種意念控制計算機，旨在讓計算機能直接由大腦操作，通過意念來移動屏幕上的光標，甚至還能直接從用戶思想中讀取單詞。

英特爾科學家使用核磁共振成像（M R I）掃描儀，測量了大約20000個腦區(qū)的活動，目前正在繪制當人們思考特定單詞時的大腦活動圖像。英特爾的資深研究人員迪安·波瑪勞說：“我們將仿照醫(yī)院所用M R I掃描儀，開發(fā)更小的設備戴在頭部，當腦區(qū)活動圖繪制出來以后，計算機就能通過對比相似的大腦活動方式，確定用戶所想的是哪個單詞。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，思考不同的單詞，會產生不同的大腦活動。比如思考一種食物蘋果，會在大腦中與饑餓相連的腦區(qū)引起腦電活動，而思考一種與物理有關的單詞如鐵鍬，會在與挖掘相關的運動皮層區(qū)引起腦電活動。通過這種方式，計算機就能推斷出用戶所想單詞，并很快縮小范圍確定它。

實驗人員已經制造出一個模型，能判斷出諸如房子、螺絲刀、倉庫等單詞。隨著大腦掃描更加先進，計算機識別思想的能力也將提高。

如果這項計劃成功，用戶只要想一想不需動手，就能實現(xiàn)網上沖浪、寫電子郵件等活動。英特爾實驗室主任賈斯汀·拉特納說，這項技術將使人們不再受鍵盤和鼠標的限制，意念閱讀正是“終極用戶界面”，用戶也將不再擔憂任何隱私外泄。

這種意念計算機對身體健康的用戶可能用途不大，但對那些不能操作鍵盤鼠標的殘障人士，將帶來更多和他人自由溝通的機會。

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