國(guó)際頂尖科研團(tuán)隊(duì)信息化應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研之三信息技術(shù)促進(jìn)學(xué)科發(fā)展與協(xié)作

編者按

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國(guó)際頂尖科研團(tuán)隊(duì)信息化應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研之三信息技術(shù)促進(jìn)學(xué)科發(fā)展與協(xié)作

編者按

為深入客觀反映國(guó)內(nèi)外信息化發(fā)展態(tài)勢(shì)，跟蹤世界各發(fā)達(dá)國(guó)家信息化的重大部署及應(yīng)用，中科院條財(cái)局和中科院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心開展了信息化專題情報(bào)調(diào)研，旨在反映信息化重要專題的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本期“國(guó)際頂尖科研團(tuán)隊(duì)信息化應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研”專題報(bào)告將描述美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院、美國(guó)西北大學(xué)臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所、德國(guó)馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所這三個(gè)頂尖科研團(tuán)隊(duì)的組織架構(gòu)、研究方向及信息化應(yīng)用情況等內(nèi)容。

美國(guó)斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院

美國(guó)斯坦福大學(xué)是世界著名的高等學(xué)府，大學(xué)醫(yī)學(xué)院在醫(yī)療、科研及教學(xué)等領(lǐng)域處于世界的領(lǐng)先地位。它同時(shí)也處于美國(guó)生物技術(shù)和信息技術(shù)中心的腹地，對(duì)臨床及實(shí)驗(yàn)室的研究成果應(yīng)用于醫(yī)療起到促進(jìn)作用。

1.團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

（1）研究方向和重大產(chǎn)出

研究方向：斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究涉及基礎(chǔ)科學(xué)、臨床科學(xué)、轉(zhuǎn)化科學(xué)和跨學(xué)科協(xié)作。例如：關(guān)注生物化學(xué)的基因技術(shù)中心、關(guān)注化學(xué)和系統(tǒng)生物的高通量生物科學(xué)中心、與臨床醫(yī)學(xué)/跨學(xué)科相關(guān)的癌癥研究所、心血管疾病手術(shù)、神經(jīng)學(xué)及手術(shù)、轉(zhuǎn)化研究及教育中心、跨學(xué)科的兒童健康研究所等。

重大產(chǎn)出：斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院在心臟內(nèi)外科、腫瘤、放射診斷及神經(jīng)科學(xué)等。許多學(xué)科取得醫(yī)學(xué)成果。它在心臟移植技術(shù)和心臟介入技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位已得到世界的公認(rèn)。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院在腫瘤方面的成就包括何杰金氏病的化療及放療技術(shù)的發(fā)展，顯著提高患者的治療效果。病人在斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院可以得到最先進(jìn)的抗癌治療，包括最新的放療方案、化療藥物、用單克隆抗體和手術(shù)治療各種淋巴瘤的技術(shù)等。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院對(duì)神經(jīng)疾病的內(nèi)外科治療也屬領(lǐng)先，其放射診斷技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)也是世界上最先進(jìn)的。斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的許多醫(yī)生在他們的領(lǐng)域中榮獲大獎(jiǎng)，包括諾貝爾獎(jiǎng)。近20余年，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院共產(chǎn)生六名諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?，名單如?所示。更多科學(xué)突破可參見該學(xué)院新聞宣傳網(wǎng)頁(yè)http://med.stanford.edu/news. html及成果展網(wǎng)頁(yè)http://med.stanford.edu/about/highlights.html。

（2）組織規(guī)模與結(jié)構(gòu)

截至2015年4月，斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院共有1948名全職教職員和3498名學(xué)生。在教職員中，有136位開展基礎(chǔ)科學(xué)研究，另1812名從事臨床研究。

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)層設(shè)有1名主任、1名副主任、9名分管高級(jí)副主任等。

2.團(tuán)隊(duì)科研信息化應(yīng)用情況

（1）主要信息化工具

表1　斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?/p>

表2　信息安全相關(guān)工具

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的信息資源與技術(shù)部為研究人員提供個(gè)人計(jì)算、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序、基礎(chǔ)設(shè)施等服務(wù)。個(gè)人計(jì)算方面，具體內(nèi)容包括：桌面支持、推薦軟件、購(gòu)置計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、公共計(jì)算空間、計(jì)算機(jī)及信息安全、臨床應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)以及無線網(wǎng)絡(luò)訪問等。基礎(chǔ)實(shí)施與通信方面，具體內(nèi)容包括：桌面及移動(dòng)電話、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議和視頻、信息安全、防火墻、服務(wù)器管理、應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫(kù)管理等。

信息安全方面和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究方面的具體工具如表2和表3所示。

表3　數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)研究相關(guān)工具

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的基因生物信息學(xué)服務(wù)中心還為研究人員提供數(shù)據(jù)分析工具，如表4所示。

表4　 基因?qū)W數(shù)據(jù)分析相關(guān)的部分工具

（2）信息化數(shù)據(jù)庫(kù)

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院為研究人員提供如表 5所示的多種數(shù)據(jù)庫(kù)。

表5　 斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的數(shù)據(jù)庫(kù)

（3）重大科技基礎(chǔ)大設(shè)施

本部分重點(diǎn)介紹斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的信息學(xué)重大科技基礎(chǔ)大設(shè)施，具體內(nèi)容如表6所示。

美國(guó)西北大學(xué)臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所

1.團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

美國(guó)西北大學(xué)臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究所（NUCATS）成立于2007年，是美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生院臨床與轉(zhuǎn)化科學(xué)基金（CTSA）聯(lián)盟的一員，并于2008年獲得CTSA3000萬美元的資助。NUCATS代表著八家西北大學(xué)下屬機(jī)構(gòu)（包括：范伯格醫(yī)學(xué)院、麥考密克工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、溫伯格文理學(xué)院、凱洛格管理學(xué)院、法學(xué)院、生命過程化學(xué)研究所、RobertH.Lurie綜合癌癥中心和公共衛(wèi)生與藥學(xué)研究所）及三家臨床機(jī)構(gòu)的聯(lián)合協(xié)作。

（1）研究方向和重大產(chǎn)出

NUCATS旨在為西北生物醫(yī)學(xué)研究者和企業(yè)家提供核心支撐，實(shí)現(xiàn)西北相關(guān)研究朝更快、更好、更節(jié)省的方向發(fā)展。其戰(zhàn)略目標(biāo)如下所示：

①通過集成過程與項(xiàng)目，使研究人員能獲得海量資源、培訓(xùn)、資助與戰(zhàn)略伙伴，加速轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究并提升效率；

②開發(fā)并部署創(chuàng)新系統(tǒng)以鑒定、評(píng)估、促進(jìn)和傳播科學(xué)突破，改善臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的質(zhì)量、安全和成本效益；

表6　信息學(xué)重大科技基礎(chǔ)大設(shè)施

表7　NUCATS軟件

③通過團(tuán)隊(duì)建設(shè)、教育和培訓(xùn)促進(jìn)西北大學(xué)協(xié)作與創(chuàng)新文化的建設(shè)，打造適應(yīng)未來需求的跨學(xué)科轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊(duì)。

NUCATS主要支撐從基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)到改善病患醫(yī)護(hù)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究。其2014年的成果主要體現(xiàn)在管理機(jī)制、咨詢服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等方面。如：2014年新開啟會(huì)員制度，一年內(nèi)吸納會(huì)員1250多人；組織咨詢活動(dòng)以幫助大型研究項(xiàng)目利用已有的臨床和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施、教育和職業(yè)發(fā)展資源等；建成“先進(jìn)生物信息學(xué)與生物計(jì)算核”，為研究人員提供大數(shù)據(jù)和計(jì)算支持。

NUCATS的合作伙伴均是醫(yī)學(xué)界的知名機(jī)構(gòu)，如“范伯格醫(yī)學(xué)院”曾培養(yǎng)的生物化學(xué)博士羅伯特·弗奇戈特于1998年獲得過諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

（2）組織規(guī)模與結(jié)構(gòu)

2014年，NUCATS啟動(dòng)會(huì)員制度，以跟蹤研究人員對(duì)NUCATS資源和服務(wù)的使用，進(jìn)而更好地為研究人員提供服務(wù)。截至2015年初，NUCATS已擁有超過1250名會(huì)員。

NUCATS主任每季度向指導(dǎo)委員會(huì)提交報(bào)告，指導(dǎo)委員會(huì)針對(duì)機(jī)構(gòu)優(yōu)先事項(xiàng)及發(fā)展方向提供直接指導(dǎo)，幫助解決機(jī)構(gòu)爭(zhēng)議，并向存在文化差異的合作伙伴機(jī)構(gòu)提供臨床與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的統(tǒng)一基礎(chǔ)。

Justin Starren擔(dān)任NUCATS的副所長(zhǎng)，同時(shí)他還兼任數(shù)據(jù)科學(xué)與信息中心（CDSI）的主任。CDSI組織架構(gòu)如圖1所示。

2.團(tuán)隊(duì)科研信息化應(yīng)用情況

（1）主要信息化工具——軟件工具

NUCATS提供多種軟件工具（見表7），以幫助科研的計(jì)劃與實(shí)施。NUCATS開發(fā)的這些軟件作為開源項(xiàng)目進(jìn)行公開發(fā)布，其他研究機(jī)構(gòu)可以通過GitHub、Bioconductor等公開源代碼倉(cāng)儲(chǔ)瀏覽這些軟件的源代碼。

（2）信息化資源/數(shù)據(jù)庫(kù)

醫(yī)學(xué)企業(yè)數(shù)據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)（NMEDW）是西北大學(xué)校園所有臨床與科研數(shù)據(jù)源的單一、全面、綜合的倉(cāng)儲(chǔ)，以推動(dòng)研究、臨床質(zhì)量、醫(yī)療保健和醫(yī)學(xué)教育?？蒲腥藛T可通過不同的方式使用NMEDW，其中三種基本的方式如下。

集成生物與臨床的信息學(xué)（i2b2）：一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的自我服務(wù)工具，允許科研人員、學(xué)生和員工針對(duì)NMEDW中的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的查詢，從而快速確定開展某項(xiàng)研究的可行性；

NMEDW數(shù)據(jù)分析家：NMEDW擁有多名數(shù)據(jù)分析家，以滿足科研人員利用NMEDW開展科研的數(shù)據(jù)需求。每個(gè)需求或每12小時(shí)收費(fèi)900美元。

Powerusers:擁有使用先進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言的個(gè)人可申請(qǐng)成為Poweruser，從而直接訪問NMEDW來開展工作，但必須遵守NMEDW的所有政策和流程。

安全應(yīng)用綜合環(huán)境（SAFE）：SAFE提供咨詢、開發(fā)、托管和支持服務(wù)，以解決人類受試者的數(shù)據(jù)保護(hù)問題。比如確保用戶的項(xiàng)目滿足政府對(duì)隱私和安全的標(biāo)準(zhǔn)（如FISMA）、實(shí)現(xiàn)高度安全的托管。針對(duì)某個(gè)科研項(xiàng)目構(gòu)建一個(gè)與FISMA兼容的環(huán)境非常復(fù)雜，每個(gè)項(xiàng)目的開銷超過15萬美元。

德國(guó)馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所

1.團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

2004年1月，原馬普認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究所和原馬普心理學(xué)研究所合并為馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所。

圖1　NUCATS CDSI的組織架構(gòu)

（1）研究方向和重大產(chǎn)出

德國(guó)馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所圍繞人類認(rèn)知能力和大腦過程開展研究，著重于大腦功能（如語(yǔ)言、情感和人類社交行為、音樂、動(dòng)作等）的神經(jīng)基礎(chǔ)研究。其他研究還包括大腦中的塑性變化及其對(duì)感知功能的影響、高血壓和肥胖等現(xiàn)代疾病的神經(jīng)和激素基礎(chǔ)，以及進(jìn)一步開發(fā)神經(jīng)科學(xué)成像方法。該研究所目前有三大研究部門，分別為：神經(jīng)內(nèi)科、神經(jīng)心理學(xué)和社會(huì)神經(jīng)科學(xué)。

2012年8月，馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所的Bego a Día z及其同事的研究揭示了閱讀障礙的神經(jīng)學(xué)致病因素，使人們進(jìn)一步了解這種疾病，有助于相應(yīng)藥物的研發(fā)。研究顯示閱讀障礙相關(guān)的許多癥狀都能夠追溯到丘腦中內(nèi)側(cè)膝狀體MGB的故障。研究結(jié)果為相應(yīng)治療藥物的研發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。文章發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）雜志上。2006年2月，馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)：大腦內(nèi)存在著兩個(gè)不同的區(qū)域負(fù)責(zé)處理不同的語(yǔ)言類型。簡(jiǎn)單句子結(jié)構(gòu)在一個(gè)形態(tài)學(xué)上古老的區(qū)域被處理，這在猿猴身上也存在。相對(duì)復(fù)雜的句子則在一個(gè)相對(duì)年輕化的區(qū)域處理，該區(qū)域僅存在于高等進(jìn)化物種（如人類）腦中。這些基礎(chǔ)性研究結(jié)論非常重要，并加深了人們對(duì)人類語(yǔ)言能力的理解。

（2）組織規(guī)模與結(jié)構(gòu)

馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所擁有3名主任、3名榮譽(yù)主任、9名小組負(fù)責(zé)人以及300多名職員。研究所設(shè)有管理主任、三大研究部門、七個(gè)研究小組以及三個(gè)方法與開發(fā)小組（包括數(shù)據(jù)庫(kù)與IT小組）。

Roberto Cozatl博士和Helmut Hayd博士擔(dān)任小組負(fù)責(zé)人。該小組除提供強(qiáng)大的IT基礎(chǔ)設(shè)施外，還為科學(xué)家提供現(xiàn)成軟件支持服務(wù)或開發(fā)新的應(yīng)用程序以滿足其項(xiàng)目和科研需求。例如，該小組開發(fā)并維護(hù)著用于管理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.團(tuán)隊(duì)科研信息化應(yīng)用情況

（1）主要信息化工具

萊比錫圖像處理和統(tǒng)計(jì)推斷算法（Lipsia）：Lipsia是馬普人類認(rèn)知與腦科學(xué)研究所自行開發(fā)的面向功能性磁共振成像（fMRI）數(shù)據(jù)分析的軟件工具，包含注冊(cè)和規(guī)范化、預(yù)處理、探索處理、統(tǒng)計(jì)評(píng)估、興趣區(qū)域分析、時(shí)間過程分析、可視化、各種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化等fMRI數(shù)據(jù)處理的軟件工具，可實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)分析，從原始數(shù)據(jù)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)地圖的標(biāo)準(zhǔn)分析流程所需時(shí)間不超過10分鐘。

CBS高分辨率大腦處理工具：該工具可為分辨率高達(dá)400微米的核磁共振圖像的皮質(zhì)分析提供全自動(dòng)處理流程，包括頭骨剝離、全腦分割、皮質(zhì)提取、輪廓評(píng)估等。這款跨平臺(tái)工具可作為MIPAV軟件包的插件，可與多種文件格式兼容。

監(jiān)控大腦活動(dòng)的掃描儀等該研究所通過核磁共振掃描儀、腦磁波描記器、經(jīng)顱磁刺激（TMS）等檢測(cè)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦活動(dòng)的監(jiān)控。

馬普學(xué)會(huì)eDoc服務(wù)器：eDoc服務(wù)器為馬普學(xué)會(huì)提供了一種積累研究成果的獨(dú)特方式，可幫助科學(xué)家收集數(shù)字格式的科學(xué)研究文件、管理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)研究工作的在線開放獲取。自2007年起，eDoc服務(wù)器由馬普數(shù)字圖書館（MPDL）負(fù)責(zé)維護(hù)。與此同時(shí)，MPDL開發(fā)了一款被稱為“PubMan”的改進(jìn)軟件庫(kù)，支持用戶建設(shè)虛擬科研環(huán)境、創(chuàng)建和優(yōu)化信息管理基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)建和優(yōu)化信息管理工具等。

eDoc服務(wù)器的戰(zhàn)略目標(biāo)包括：實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)信息的存儲(chǔ)和展示：eDoc將保存馬普學(xué)會(huì)各研究機(jī)構(gòu)生產(chǎn)的各種科學(xué)信息，為這些信息的長(zhǎng)期保存和傳播提供一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，并提供對(duì)這些成果的即時(shí)獲?。粯?gòu)建創(chuàng)新的學(xué)術(shù)交流模式：對(duì)于馬普學(xué)會(huì)中那些希望充分利用因特網(wǎng)全部潛力并建立學(xué)術(shù)交流新模式的科研人員和學(xué)者而言，eDoc是實(shí)現(xiàn)這些功能的中堅(jiān)力量；實(shí)現(xiàn)開放獲取，期刊價(jià)格的急劇上漲和出版者對(duì)版權(quán)的一些限制性政策破壞了對(duì)研究成果的廣泛傳播和持久穩(wěn)固的訪問，eDoc將作為面向研究成果的自歸檔工具，提供即時(shí)和全球訪問。

（2）信息化資源——虛擬環(huán)境和衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室

虛擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一種虛擬世界，為研究社會(huì)現(xiàn)象提供了一種強(qiáng)有力的工具，可用于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)范式，以通過物理世界中難以甚至不可能實(shí)現(xiàn)的方式來控制社會(huì)認(rèn)同和行為等。研究人員可結(jié)合虛擬環(huán)境技術(shù)和神經(jīng)成像技術(shù)來研究社會(huì)和情感神經(jīng)科學(xué)。衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室通過多臺(tái)互聯(lián)計(jì)算機(jī)來提供運(yùn)算服務(wù)。

（本文由中國(guó)科學(xué)院成都文獻(xiàn)情報(bào)中心供稿）