應(yīng)用數(shù)學(xué)：解鎖大腦的密鑰

□ 謝更好

楊卓琴參加第四屆全國神經(jīng)動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會議

德國數(shù)學(xué)家高斯曾說：“數(shù)學(xué)是科學(xué)的皇后”。因?yàn)樗撬凶匀豢茖W(xué)的基礎(chǔ)，所有社會科學(xué)的研究方法都需要使用數(shù)學(xué)。這門利用符號語言研究數(shù)量、結(jié)構(gòu)、變化以及空間模型等概念的科學(xué)，總能清晰地描述不同領(lǐng)域的實(shí)際問題并給出漂亮的解決辦法，讓人無法不感嘆數(shù)學(xué)之美。

正如馬克思所說：“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了真正完善的地步?！痹卺t(yī)學(xué)界也不例外。近20年來，腦科學(xué)尤其是腦疾病已成為全世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)，歐盟、美國、日本等先后開展腦計(jì)劃，我國也將腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)列為八大前沿之一，高度關(guān)注探索人類大腦工作機(jī)制，著重于腦重大疾病的發(fā)病機(jī)制及其診斷治療方法的研究，譬如癡呆患者、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、癲癇等。這就需要科學(xué)家們更好地認(rèn)識大腦疾病的病因和發(fā)病機(jī)制，做出早期診斷并開發(fā)更有效的治療手段。

隨著認(rèn)識的不斷加深和研究技術(shù)的快速發(fā)展，很多原來無法精確定位和深入研究的大腦功能，現(xiàn)在可以從腦區(qū)定位、神經(jīng)回路確定、核團(tuán)與神經(jīng)細(xì)胞鑒定等多層次，或者從基因、表觀遺傳修飾、分子影像分析等多方面來展開研究。但腦本身不僅復(fù)雜，同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，這就使得腦科學(xué)與腦疾病的研究成為一項(xiàng)十分艱巨的任務(wù)。因此需要借助非線性動(dòng)力學(xué)理論和方法，并結(jié)合腦功能與精神障礙疾病的生理機(jī)制，建立起相應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型才能夠深入探討其動(dòng)態(tài)發(fā)展過程的內(nèi)在機(jī)理和本質(zhì)行為。作為我國早期從事神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的研究學(xué)者之一，北京航空航天大學(xué)數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授楊卓琴及她的團(tuán)隊(duì)即將借助數(shù)學(xué)理論深入研究這一問題，期待為腦疾病的治療提供新思路，同時(shí)也能促進(jìn)非線性動(dòng)力學(xué)本身的發(fā)展并推動(dòng)動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)科的進(jìn)步。

新領(lǐng)域 風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇并存

現(xiàn)今，神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究無論在國際還是國內(nèi)都處于前沿領(lǐng)先的范疇，大批量的研究學(xué)者都投身于此。然而在2000年時(shí)，我國在該領(lǐng)域的研究才剛剛起步。初到北京航空航天大學(xué)理學(xué)院攻讀博士學(xué)位楊卓琴就在導(dǎo)師陸啟韶教授的帶領(lǐng)下也成為國內(nèi)該領(lǐng)域的較早的研究者之一。

科研貴在創(chuàng)新，但全新領(lǐng)域的研究同樣充滿著未知與迷茫，用楊卓琴的話說就是，“一切都是未知數(shù)，真的很有冒險(xiǎn)性”。然而，風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇總是并存的。盡管開始的時(shí)候進(jìn)展很慢，但憑著對導(dǎo)師的無比信任，在導(dǎo)師不斷地鼓勵(lì)下，心無旁騖的楊卓琴及其他同學(xué)們共同努力，逐步打開了神經(jīng)動(dòng)力學(xué)研究的大門。這一良好的開端也為日后更進(jìn)一步的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)北京航空航天大學(xué)的科研正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，生物領(lǐng)域研究極具國際前沿性，在博士畢業(yè)獲得校優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎(jiǎng)后，留校任教繼續(xù)研究就成為她自然的選擇。

神經(jīng)動(dòng)力學(xué) 復(fù)雜的交叉學(xué)科

“我們就像當(dāng)年‘發(fā)現(xiàn)’美洲的探險(xiǎn)家一樣，碰到的并不是一串小島，而是登上了整塊大陸的海岸，廣袤無垠的腹地還有待我們?nèi)ヌ诫U(xiǎn)?！睆纳窠?jīng)動(dòng)力學(xué)的奠基人之一——W．Freeman教授的這番話中，不難看出這門學(xué)科的復(fù)雜性。

面對如此復(fù)雜的腦，想要了解它并非易事，需要從多個(gè)層次去研究，同時(shí)還要跨層次地了解不同層次之間的聯(lián)系，并且要采用多學(xué)科的手段。對于腦的研究，通?？煞譃樯窠?jīng)系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、神經(jīng)回路、神經(jīng)元、突觸和離子通道等不同的層次。目前神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的研究已經(jīng)在微觀、介觀和宏觀等各個(gè)層次全面展開。其中微觀層次的研究從低到高依次包括分子層次、突觸層次、細(xì)胞層次（神經(jīng)元層次）、神經(jīng)元群體層次和網(wǎng)絡(luò)層次。自1997年以來一直從事非線性動(dòng)力學(xué)研究的楊卓琴，在2000年時(shí)正式進(jìn)入神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的交叉研究領(lǐng)域，致力于神經(jīng)元放電活動(dòng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為，神經(jīng)元耦合系統(tǒng)和生物復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的同步活動(dòng)，以及生物鈣振蕩的動(dòng)力學(xué)等方面的研究工作，取得了不錯(cuò)的科研工作成績，期間多次主持并完成了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，利用非線性動(dòng)力學(xué)從細(xì)胞層次去研究腦、理解腦。其與導(dǎo)師陸啟韶合作的“神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的放電活動(dòng)、節(jié)律和集群行為的動(dòng)力學(xué)研究”項(xiàng)目，因在促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步工作中做出重大貢獻(xiàn)而榮獲2013年高等學(xué)校優(yōu)秀科研成果獎(jiǎng)自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。這也是對她在神經(jīng)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域潛心專研多年的一個(gè)肯定。

作為一門復(fù)雜的交叉學(xué)科，不斷地深入各個(gè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)就成了必然。就像楊卓琴和她的學(xué)生所說的那樣：“我們需要什么就得學(xué)什么，不僅僅是學(xué)好數(shù)學(xué)。”從事科研工作，創(chuàng)新的重要性毋庸置疑。無論是研究方法還是研究領(lǐng)域，都需要不斷地探索、思考。特別是在交叉領(lǐng)域的相關(guān)研究中，創(chuàng)新的概率非常大。這就要求根據(jù)實(shí)際需要，不斷地?cái)U(kuò)大所交叉的領(lǐng)域，去接觸了解，必要時(shí)還得從頭學(xué)起，以便能提出新的理論、新的研究方法或者新的應(yīng)用。這也正是神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的難點(diǎn)之一。此外，交叉學(xué)科的研究離不開其他領(lǐng)域的有力支持。比如在研究腦疾病的過程中，就需要醫(yī)院先提供一些數(shù)據(jù)，才能建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，從而進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)找出規(guī)律。但初始的研究理論在實(shí)際中往往很難得到應(yīng)用，不過隨著研究的不斷深入，合作的機(jī)會也越來越多。

楊卓琴及其團(tuán)隊(duì)目前在研的是國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目——“與大腦功能與精神障礙有關(guān)的多層次多尺度模型的建立與動(dòng)力學(xué)研究”。在該項(xiàng)目中，他們將借助非線性動(dòng)力學(xué)理論和方法，建立跨層次多尺度的動(dòng)力學(xué)模型，去探討當(dāng)前備受關(guān)注的阿爾茨海默癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙以及癲癇等腦疾病的動(dòng)力學(xué)過程的本質(zhì)行為。這一研究也將有助于揭示神經(jīng)障礙的發(fā)病機(jī)理，而且涉及從微觀、介觀到宏觀的多層次以及多時(shí)間尺度的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性，擴(kuò)展非線性動(dòng)力學(xué)的理論與方法。

快樂，是楊卓琴的人生態(tài)度。

不計(jì)較 快樂其實(shí)很簡單

熟悉楊卓琴的人，通常都會覺得她做什么事情都很輕松，很快樂。在她讀博士的時(shí)候，一位師姐就曾發(fā)出這樣的疑問：“你讀博士為什么那么輕松呢？”而自認(rèn)并沒那么聰明，也不是天才的楊卓琴看來，不計(jì)較、簡簡單單才是快樂的秘訣。

作為一位現(xiàn)代女性，楊卓琴同時(shí)扮演著高校教師、妻子、媽媽等多個(gè)角色。繁忙的工作、瑣碎的家務(wù)，同樣使她的生活節(jié)奏變得異常緊張?！罢娴氖菦]有自己的太多休閑和娛樂時(shí)間，如果能讓我靜下心來好好備課，專研思考，這對我來說已經(jīng)是很舒服很享受的一件事了?！惫ぷ髋c生活雖然忙碌，但她絲毫沒有被壓力所累，總是很快樂。她把這種快樂歸功于不計(jì)較，工作中她把名利看得很淡，順其自然；生活中她認(rèn)為吃虧是福，從不算計(jì)。也正是這種健康的心態(tài)，才使她能夠在神經(jīng)動(dòng)力學(xué)最初的研究中，無所畏懼，并取得成功。

未來，在神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的研究中還將會出現(xiàn)新的挑戰(zhàn)，楊卓琴及她所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，也將會秉持不斷學(xué)習(xí)、持續(xù)創(chuàng)新的信念，利用非線性動(dòng)力學(xué)等理論和方法，逐漸掀起這門科學(xué)的神秘面紗，為腦功能的深層次揭示以及腦疾病發(fā)病機(jī)理的探索，貢獻(xiàn)一份力量。