探尋學(xué)科交叉的創(chuàng)新魅力

范國軒

物含妙理總堪尋。科學(xué)的征途總是充滿了奧妙，回首近百年的科學(xué)史，有四成以上的諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)成果來自多學(xué)科融合創(chuàng)新，學(xué)科交叉研究已經(jīng)成為開啟當(dāng)今科學(xué)殿堂的金鑰匙。著名科學(xué)家錢學(xué)森曾經(jīng)評(píng)價(jià)：“交叉學(xué)科是一個(gè)非常有前途、非常廣闊而又重要的科學(xué)領(lǐng)域！”

而在上海，有一位年輕的科學(xué)家，正站在學(xué)科融合的交匯點(diǎn)，在腦和類腦研究領(lǐng)域闖出一條新路。他是復(fù)旦大學(xué)類腦人工智能科學(xué)與技術(shù)研究院教授張捷。

非線性科學(xué)與復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)：初品學(xué)科交叉的芬芳

“我本科期間學(xué)習(xí)化學(xué)工程，后來由于個(gè)人的興趣原因，考取了山東大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)的研究生，做非線性科學(xué)研究。”2005年，在碩士畢業(yè)后，張捷選擇到香港理工大學(xué)繼續(xù)深造。香港維多利亞灣的海風(fēng)帶來了別樣的氣息。這里，正是他探索學(xué)科交叉的起點(diǎn)。

2000年一次偶然的機(jī)會(huì)，張捷聽了日本一位教授關(guān)于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的報(bào)告，這讓他產(chǎn)生了將手中關(guān)于非線性時(shí)間序列分析的課題研究，和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的靈感。

張捷將一個(gè)時(shí)間信號(hào)劃分成多個(gè)“片段”，每一段用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，并將信號(hào)片段之間的相關(guān)性作為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)之間的連接。“就像傅里葉變換把一維時(shí)間序列從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域一樣，這里我們就可以把時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了從時(shí)域到網(wǎng)絡(luò)域的變換?！睆埥莞嬖V記者，在此前，并沒有人用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法分析過一維時(shí)間序列。而這樣做的意義是，刻畫復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的近百個(gè)指標(biāo)，都可以被用來挖掘?qū)?yīng)時(shí)間序列的特性，從而極大豐富了時(shí)間序列分析方法體系。

這個(gè)成果發(fā)表在物理學(xué)頂級(jí)期刊美國《物理評(píng)論快報(bào)》，目前已經(jīng)被引用250余次，“這一工作首次將傳統(tǒng)非線性時(shí)間序列分析與現(xiàn)代復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論相結(jié)合，對(duì)相關(guān)的學(xué)術(shù)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生很大的影響?！睂徃迦藢?duì)其進(jìn)行了高度評(píng)價(jià)。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，張捷作為合作者與許小可在《美國科學(xué)院院報(bào)》上發(fā)表了另外一篇論文，引用達(dá)200余次。目前這兩篇論文被Web of science歸入物理領(lǐng)域中最優(yōu)秀的1%之列，張捷也因此獲得了香港青年科學(xué)家獎(jiǎng)提名獎(jiǎng)。

“這是一個(gè)典型的學(xué)科交叉的例子，很多研究者對(duì)這一新開辟的方向產(chǎn)生了濃厚興趣。大家最感興趣的莫過于這個(gè)巧妙的想法是怎樣產(chǎn)生的”。在張捷看來，不同領(lǐng)域獨(dú)特的視角相結(jié)合將會(huì)帶來意想不到的收獲，很多創(chuàng)新其實(shí)可以通過各學(xué)科特有的概念間“雜交”而成。好的交叉，會(huì)給人美的感受?！峨蹰w序》中的傳世名句“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”就是這樣的例子。落霞與孤鶩之間，秋水與長天之間，本無關(guān)聯(lián)，但被王勃納入到一副畫面中，落霞和長天頓時(shí)被賦予“動(dòng)”的神韻，動(dòng)靜的結(jié)合給人以極致的美學(xué)享受。因此，學(xué)科交叉的魅力就在其帶來的新的生命力和創(chuàng)造力?！拔锖罾砜偪皩ぁ?，看上去并不相關(guān)的事物之間往往存在著精妙的聯(lián)系，通過解讀這種關(guān)聯(lián)或者交叉，往往會(huì)“曲徑通幽”，“柳暗花明”?！爱?dāng)然研究者需要對(duì)相關(guān)學(xué)科都有相當(dāng)深入的把握，而不僅僅是表面的結(jié)合與交叉?！彼a(bǔ)充道。

計(jì)算科學(xué)和腦科學(xué)：深耕學(xué)科交叉的原野

從2012年起，世界各國掀起了“腦計(jì)劃”的風(fēng)暴。腦科學(xué)主要研究人類大腦的運(yùn)作方式，這不僅有助于重大腦疾病，比如說抑郁癥和精神分裂癥的診斷和治療，還有望促進(jìn)新一代人工智能的發(fā)展。在香港學(xué)習(xí)工作6年，博士后出站后，張捷做了一個(gè)大膽的決定，他加入了復(fù)旦大學(xué)計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)中心，踏上了腦與類腦交叉研究之路。

“我到復(fù)旦后，加入了馮建峰教授的團(tuán)隊(duì)，我之所以能做出這個(gè)重要的選擇，得益于他在學(xué)術(shù)上對(duì)我的影響?！瘪T建峰教授是國家第二批“千人計(jì)劃”教授，上海數(shù)學(xué)中心首席科學(xué)家，復(fù)旦大學(xué)類腦人工智能研究院的首任院長，是國際上從事計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)和類腦交叉學(xué)科研究的知名專家?！拔矣?007年有幸與馮教授相識(shí)，他深厚的學(xué)養(yǎng)、敏銳的思維和兼容并包的學(xué)術(shù)胸懷讓我十分敬佩，特別是他將多領(lǐng)域知識(shí)融會(huì)貫通后在學(xué)術(shù)上自由馳騁的廣闊視野，讓我深刻感受到了學(xué)科交叉帶來的無窮魅力?！?/p>

然而，從非線性科學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向腦科學(xué)并不是一帆風(fēng)順，這個(gè)過程不僅需要對(duì)新的學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，而且還需要深入了解腦科學(xué)的前沿，培養(yǎng)對(duì)新領(lǐng)域科研的眼光，“這并不容易，學(xué)科交叉需要雙倍的努力。然而一旦交叉中碰撞出火花，其中的發(fā)現(xiàn)會(huì)讓人更加興奮”張捷說。經(jīng)過近6年的耕耘，張捷在腦科學(xué)的研究中漸入佳境。

2016年8月份，國際腦科學(xué)知名雜志Brain以封面形式發(fā)表了張捷關(guān)于大腦動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的論文。2014年美國麥克阿瑟天才獎(jiǎng)得主Danielle Bassett教授，專門為此研究撰寫了題為“The flexiblebrain”的評(píng)論文章，認(rèn)為“這項(xiàng)工作是我們?cè)诶斫獯竽X網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化道路上的一塊重要基石（an important stepping-stone）。國內(nèi)外上百家媒體如《英國每日郵報(bào)》《光明日?qǐng)?bào)》頭版對(duì)此都給予了焦點(diǎn)報(bào)道。

“我在時(shí)間序列分析和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)這兩個(gè)領(lǐng)域的積累，成為這項(xiàng)研究中的催化劑?！睆埥莅褧r(shí)間序列分析和動(dòng)態(tài)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的方法融合，應(yīng)用于腦科學(xué)：通過對(duì)核磁共振掃描的高維大腦神經(jīng)活動(dòng)時(shí)間序列的分析，首次構(gòu)建了大腦功能網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)圖譜，并找出了腦網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的機(jī)制。他發(fā)現(xiàn)人腦中與學(xué)習(xí)、記憶緊密關(guān)聯(lián)的腦區(qū)如海馬、顳下回、嗅皮層、尾狀核等腦區(qū)均表現(xiàn)出高“可變性”。這些區(qū)域同其他部分的連接模式變動(dòng)更加頻繁，從而能夠參與到不同功能的子網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)成了大腦可學(xué)習(xí)性的基礎(chǔ)?！岸四X中與智力相關(guān)性小的區(qū)域，包括視覺、聽覺和感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)，皆表現(xiàn)出了低‘可變性”。腦網(wǎng)絡(luò)的，可變性，受局部神經(jīng)活動(dòng)或電活動(dòng)的調(diào)制，這意味著經(jīng)顱刺激等能夠調(diào)節(jié)局部神經(jīng)活動(dòng)的手段將能夠控制大腦的可學(xué)習(xí)性。這很有可能會(huì)改變未來的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)效果，張捷說道。此外，大腦“可變性”越強(qiáng)或越靈活，個(gè)體的智力以及其創(chuàng)造力也就越高。

專家表示，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，未來或?qū)⒖赡芡ㄟ^賦予人工智能系統(tǒng)內(nèi)部各部件動(dòng)態(tài)相互作用的模式，使機(jī)器人真正產(chǎn)生人類的思維方式，這一重大成果或?qū)⒔o人工智能的發(fā)展帶來重要影響。

科學(xué)研究與臨床應(yīng)用：播種學(xué)科交叉的碩果

“發(fā)表論文只是科研的一個(gè)方面，挖掘研究成果的實(shí)用價(jià)值，則會(huì)造福于更多的人?！痹诳蒲谐晒霓D(zhuǎn)化方面，張捷同樣進(jìn)行著積極的探索和努力。

“比如上面提到的腦網(wǎng)絡(luò)可變性指標(biāo)，就可被用于預(yù)測認(rèn)知訓(xùn)練的學(xué)習(xí)效果，以及中風(fēng)等神經(jīng)疾病病人的康復(fù)水平”。此外，張捷與合作者發(fā)展了適用于臨床腦疾病客觀定量化的計(jì)算生物標(biāo)識(shí)和診斷軟件，為重大腦疾病包括精神分裂癥、小兒多動(dòng)癥、抑郁癥、自閉癥等疾病的精準(zhǔn)醫(yī)療提供支持。與西南大學(xué)合作，通過對(duì)千余名大學(xué)生進(jìn)行核磁共振大腦掃描和基因測序，對(duì)其創(chuàng)造力、情商等特質(zhì)進(jìn)行預(yù)測等。張捷相信，腦科學(xué)這一高度交叉學(xué)科的研究投入無疑會(huì)對(duì)新一代人工智能、精準(zhǔn)醫(yī)療等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

“天地間都是文章，妙處還須自得”。不同科學(xué)領(lǐng)域之間往往存在著意想不到的關(guān)聯(lián)，而學(xué)科之間的交叉則是破譯復(fù)雜現(xiàn)象的利器和創(chuàng)造性的源泉。交叉學(xué)科的道路也許并不是一番坦途，需要比單一學(xué)科研究更為持久的探索和加倍的投入。希望張捷能夠在學(xué)科交叉的道路上走的更遠(yuǎn)，運(yùn)用學(xué)科交叉這只“妙手”，解讀腦科學(xué)的“大文章”。