腦科學:打開“生命禁區”之窗

2019年01月31日 18:24:58 來源: 光明日報
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一名醫護工作者查看人工智慧輔助診斷結果。光明圖片/視覺中國

  腦與類腦研究是世界科技發展的戰略制高點,以類腦智慧引領人工智慧,實現人工智慧普適化,將引起經濟社會變革性發展,對人類文明進步産生重大影響。國家科技創新2030重大項目已將“腦科學與類腦研究”列入啟動日程。北京、上海在建設具有全球影響力的科技創新中心中,對腦科學研究也進行了前瞻佈局,在計算神經科學與類腦智慧等研究中取得了一系列重要成果。比如,近日,復旦大學類腦智慧科學與技術學院院長馮建峰教授的課題組對超過1萬例影像遺傳學數據進行計算分析,有望幫助人類揭示精神分裂症發病機制。

  大腦,是人的神經中樞,稍有損傷就有可能造成生命危險,因此腦部區域也被稱為“生命禁區”。而且大腦結構複雜,一些相關的疾病一直困擾著人類。其中包括抑鬱症、自閉症、神經退行性疾病、腦卒中和精神分裂症等。以前的腦科學與類腦研究,主要方法不出兩類:實驗和理論。近年來增加了第三種手段:計算。加上世界範圍內深入開展的國際合作,為科學家研究“生命禁區”打開了一扇窗。

  以復旦大學為例,2015年,學校就成立了類腦智慧科學與技術研究院。作為跨學科國際化研究中心的先行者和試驗田,學院以復旦大學雄厚的應用數學、電腦科學、生物學、信息學、臨床醫學等多學科綜合優勢為基礎,以計算神經科學為橋梁,交叉融合、聚力創新,開展大腦機制解析、類腦智慧演算法、新藥智慧研發、腦疾病智慧診療、通用智慧等原創性基礎研究和應用研究,構建了全球腦與類腦國際合作網絡。我們的目標,是建設成為具有全球影響力的類腦智慧研究與應用融合發展的前沿科技創新中心,推動我國“智慧科學與技術”新興學科發展,推動我國的腦與類腦智慧前沿科學研究。

  五大跨學科中心開展腦科學的前沿研究

  腦科學和類腦研究很多方向都是跨學科的。為此,復旦大學類腦智慧科學與技術學院建立了五大跨學科的研究中心。

  認知神經科學中心:認知神經科學研究中心將從分子、神經元到神經環路,在不同尺度下研究人類智慧的編碼模式,闡明認知活動的大腦機制。結合認知心理學、神經科學、生理心理學、神經解剖學、神經影像學等多學科理論,進行從感覺、知覺、注意、動機,到決策判斷、學習記憶、情緒情感、思維意識等領域的研究,解析認知過程的不同階段和大腦運作的基本機制。最終利用計算神經網絡形態模型,擬合多模態大腦數據,倣真大腦的部分認知功能,並建立全腦尺度神經動力學行為特徵與疾病的關係。結合心理分析和神經技術的手段對疾病進行挽救和干預,達到從基礎科學到應用科學的轉化。

  生物醫學大數據中心(張江國際腦庫):依託腦數據庫,研究多模態、多尺度和多中心數據演算法理論及應用,開展神經科學、心理學、醫學、數學與電腦科學等多學科前沿交叉研究,在腦疾病、癌症、心血管疾病等方面推動精準醫學和個性化醫療轉化研究,尋找腦疾病在基因、影像和認知功能等方面的有效診斷指標,提升腦重大疾病臨床診斷以及藥物療效評估的準確性和效率;以數據為驅動,探索腦疾病致病機制;通過多維度觀測手段,開展定量化人腦研究,揭示人腦的生物基礎。

  計算系統生物學中心:基於大數據分析與生命科學實驗技術的交叉融合,建設生命科學形態計算倣真與數理技術應用的平臺。開展認知、注意、學習與記憶過程的腦科學實驗研究,建立大腦學習記憶過程的大尺度計算模型,揭示大腦信息處理機制,啟發類腦智慧學習新理論、新演算法;發展非線性、系統科學的新理論與新方法,分析和理解大腦等複雜性系統演化的規律,並應用於現實複雜系統的調控;發展新的數值和理論方法,致力於生物學中的定量化建模與分析,以及數學和生物學的交叉。

  神經與智慧工程中心:面向重大神經與精神疾病的臨床診治需求,發展神經動力學信息感知與處理方法,探索腦信息整合規律與腦功能重塑機制。將神經編碼與智慧理論相結合,研發神經感知、神經調控和神經計算技術,突破腦-智融合技術,建立片上智慧系統,研發自學習智慧人——機融合系統,實現神經功能智慧調控與倣生,為保護腦、增強腦、干預腦提供智慧設備和創新解決方案。

  綜合生物醫學影像中心(張江國際腦影像中心):中心於2016年投入建設,由復旦大學與上海市全球科創中心市級重大專項共同投入4億元支持共建,致力於在中國上海打造亞太地區最大的世界級影像技術實驗平臺。開發高級成像技術和多模態腦定量技術,探究腦功能、腦結構、代謝、電生理、電化學等信號,揭示腦信息生成與處理機制,探究生物體在生命週期中腦的發育與老化過程、以及腦疾病的早篩及預後;建立腦數據採集和預處理的標準,拓展腦與類腦科學基礎生物研究,為神經科學與臨床診斷提供綜合性的高端研究平臺。

  腦科學與類腦智慧研究應用廣泛,或是下一代信息技術的創新源頭

  從2015年以來,在腦科學與類腦智慧研究與應用領域,我院的研究人員在國際知名刊物上發表了300余篇論文,其中高影響因子多篇,很多研究走向了應用。比如,我們的研究人員開發了智慧演算法,尋根腦重大疾病,建立智慧神經調控技術,開創治療新途徑;在演算法與應用方面,受左右腦啟發,設計了雙通道跳躍神經網絡,圖像分類性能出色,達到國際領先水準;在腦機制解析方面,首次揭示抑鬱症與睡眠問題關係的腦調控機制,發現精神疾病風險基因擾亂青少年腦發育等。

  産學研合作也取得了進展,建立了智慧機器人聯合實驗室。2016年12月,我們攜手科大智慧公司,共建智慧機器人聯合實驗室。雙方團隊就機器學習、電腦視覺、自然語言處理等多個方面開展了科研項目産業化工作,實驗室已成為服務機器人技術、影像智慧分析系統、智慧物流、智慧電氣、研發與産業化基地。

  一些産業化項目取得重要成果。比如,基於深度學習的腦健康智慧影像體檢系統。我們結合影像學基礎理論、利用大量影像及診斷數據進行深度學習訓練,快速分析核磁掃描影像,精準判檢白質病變,微出血、腔梗,腦區體積變化等腦疾病早期症候,篩查腦疾病高風險人群,及時警示干預,幫助醫生快速讀片,提高診斷準確率。

  我們開發了一款影像學指標輔助急性缺血性卒中診療決策的智慧軟件。系統按照最新的國際和國內的臨床指南規範自動對CT掃描進行智慧分析,2分鐘以內就能給出量化結果輔助醫生進行下一步診療決策。一般情況下,中風急診只能就近就醫,在醫療較落後的地區,即使沒有高水準的神經內科醫生急診值班,這個系統也能輔助手術醫生做決策。

  腦科學研究的應用十分廣泛。比如我們還建立了電網設備狀態智慧分析系統。我們與國網電力上海公司聯合開發,基於變電站機器人巡檢的紅外圖像分析,應用深度學習演算法,實現智慧電網關鍵設備狀態的自動評估,設備異常狀態檢測準確率達到90%以上。

  現在,張江國際腦科學與類腦智慧國際創新中心也開始發力。我們將發展類腦學習理論和方法,構建多模態腦影像,高性能計算、類腦晶片,機器人智慧實現等類腦智慧核心試驗平臺,整合可構建腦功能圖譜的戰略性數據平臺,推動基礎神經信息科學研究、腦重大疾病臨床研究以及技術開發,為下一代信息技術革新提供全新的智慧處理理論、方法、技術與平臺,為推動類腦智慧及相關産業顛覆性變革提供技術創新源頭。(作者:馮建峰,係復旦大學類腦智慧科學與技術研究院院長)

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