■ 本刊記者 許惠英

中國(guó)要成功建立一流的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)

■ 本刊記者 許惠英

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的重要性和潛在的廣泛影響已經(jīng)引起了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。在今年3月23-25日北京舉行的“神經(jīng)信息學(xué)與計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的前沿問(wèn)題”為主題的367次香山科學(xué)會(huì)議上，來(lái)自中科院、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等知名研究員與教授紛紛探討了這個(gè)令人激動(dòng)又期盼的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)。為什么如此看重這個(gè)尚未成熟的學(xué)科？它的主要研究方向是哪些？我們?cè)鯓幼プ∵@個(gè)發(fā)展的機(jī)會(huì)？

一個(gè)正在成熟的新領(lǐng)域——計(jì)算神經(jīng)科學(xué)

有目共睹的信息科學(xué)已滲透到科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，腦作為信息處理的“機(jī)器”，已經(jīng)被科學(xué)家廣泛注意。耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物系教授汪小京說(shuō)：“無(wú)論是簡(jiǎn)單的知覺(jué)、行動(dòng)，還是復(fù)雜的情感、思維、學(xué)習(xí)、決策，都來(lái)自于我們的大腦。大腦是最復(fù)雜的生物器官，也是最神秘的‘計(jì)算機(jī)’。即使今天最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)（中國(guó)的Nebulae今年排名世界第二），在重要的智能方面也不及人腦?！庇捎谏窠?jīng)生物系統(tǒng)的信息處理功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)代技術(shù)水平，很多信息科學(xué)家紛紛把注意力轉(zhuǎn)向腦，希望從腦的機(jī)理研究中得到啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息科學(xué)新的突破。了解大腦的生物學(xué)原理，包括從遺傳基礎(chǔ)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，是21世紀(jì)最主要的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展將解開(kāi)腦的奧秘，而且將會(huì)對(duì)社會(huì)發(fā)展的多方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。所以，神經(jīng)信息科學(xué)已是發(fā)達(dá)國(guó)家相互競(jìng)爭(zhēng)的科學(xué)制高點(diǎn)。我國(guó)已經(jīng)把“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)”列為《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》的八大科學(xué)前沿之一?！?/p>

對(duì)腦研究的一些新的成就，會(huì)在信息科學(xué)中引起重大突破嗎？計(jì)算機(jī)能代替腦嗎？腦和計(jì)算機(jī)究竟有何區(qū)別？人工智能是否真能實(shí)現(xiàn)？腦真的能與計(jì)算機(jī)相連嗎？伴隨著這些問(wèn)題的提出，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)（computational neuroscience）運(yùn)營(yíng)而生。計(jì)算神經(jīng)科學(xué)是神經(jīng)科學(xué)、計(jì)算科學(xué)和信息科學(xué)相互交叉融合、探索腦－智力-計(jì)算之間的關(guān)系而形成的一門(mén)邊緣學(xué)科（交叉研究領(lǐng)域）。它也是一門(mén)跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，是把實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)和相關(guān)理論研究聯(lián)系在一起，運(yùn)用物理、數(shù)學(xué)以及工程學(xué)的概念和分析工具來(lái)研究大腦的功能。用數(shù)學(xué)模型及方法作為工具來(lái)細(xì)致闡明大腦的計(jì)算原理。用數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)模擬的方法在不同水平上對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和研究：從神經(jīng)元的真實(shí)生物物理模型，它們的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，到腦的組織和神經(jīng)類(lèi)型計(jì)算的量化理論等，從計(jì)算角度理解腦，研究非程序的、適應(yīng)性的、大腦風(fēng)格的信息處理的本質(zhì)和能力，探索新型的信息處理機(jī)理和途徑，從而創(chuàng)造“腦”。它的發(fā)展將對(duì)智能科學(xué)、信息科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等產(chǎn)生重要影響。

科學(xué)家們認(rèn)為大腦是一個(gè)異常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，具有多種反饋機(jī)制和多層時(shí)空結(jié)構(gòu)，它的行為不能僅僅依靠直覺(jué)來(lái)理解，定量分析和從概念上深入闡明是至關(guān)重要的。隨著各項(xiàng)新技術(shù)，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(shù)、腦基因組學(xué)、腦連接組學(xué)的快速發(fā)展，未來(lái)數(shù)年里實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將以空前的速度增加，要能解讀這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并據(jù)此提出和檢驗(yàn)各種科學(xué)假說(shuō)，新的計(jì)算工具和方法是必不可少的，需要投入人力和物力來(lái)研究。

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)研究的開(kāi)始，在1988年前后，那時(shí)，，Sejnowski、Koch 和Churchland在美國(guó)《科學(xué)》雜志上發(fā)表了計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的“宣言”，至此，它作為一個(gè)新學(xué)科領(lǐng)域開(kāi)始形成?？梢哉f(shuō)，計(jì)算神經(jīng)科學(xué)得益于實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和人工智能的發(fā)展。從一開(kāi)始，它就吸引了大量來(lái)自物理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科的科學(xué)家。在過(guò)去20年里，這個(gè)領(lǐng)域飛速發(fā)展，其中一個(gè)重要標(biāo)志是，每年在美國(guó)、歐洲和日本等地都舉辦計(jì)算神經(jīng)科學(xué)方面的年會(huì)（Cosyne、CNS、NIPS，每一個(gè)會(huì)、每屆均有數(shù)百名參會(huì)者）和暑期學(xué)校。然而，盡管它在迅猛發(fā)展，也才不過(guò)是小荷剛露尖尖角，剛剛開(kāi)始，它為中國(guó)未來(lái)科學(xué)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的契機(jī)。為此，學(xué)者們紛紛呼吁要及時(shí)把握這個(gè)契機(jī)，緊跟國(guó)際先進(jìn)科研水平，投入更多的人力和財(cái)力，使中國(guó)科學(xué)家能在計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域有所作為。汪小京在題為“21世紀(jì)中國(guó)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)展望”一文中提出：“中國(guó)要成功建立一流實(shí)驗(yàn)神經(jīng)科學(xué)，尤其是系統(tǒng)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，一定要發(fā)展配套的一流計(jì)算神經(jīng)科學(xué)?！?/p>

計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的主要研究方向

許多學(xué)者提出了計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的主要研究方向，汪小京在“21世紀(jì)中國(guó)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)展望”中提出4個(gè)有發(fā)展前景的研究方向。

1.高維隨機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)

目前，如何用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述高維空間中的隨機(jī)性神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程以及如何處理高維數(shù)據(jù)的方法甚少。

2.神經(jīng)化學(xué)計(jì)算

細(xì)胞生物學(xué)研究顯示在神經(jīng)元中存在大量的分子活動(dòng)過(guò)程（包括細(xì)胞內(nèi)鈣、cAMP、G蛋白、激酶、磷酸酶類(lèi)等等）。我們知道它們包含了很多信息，也知道它們對(duì)長(zhǎng)時(shí)程的突觸可塑性和神經(jīng)調(diào)制等機(jī)能非常重要，但是對(duì)于它們?cè)谏窠?jīng)計(jì)算中的作用我們?nèi)匀狈Ω拍钚缘牧私庖约熬C合理論。

3.大尺度神經(jīng)環(huán)路的理論

我國(guó)對(duì)局部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（例如一個(gè)皮層區(qū)）的研究較多，而對(duì)包括許多部分的大神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)制了解甚少。不了解大尺度的神經(jīng)環(huán)路是如何運(yùn)作的。缺乏一套大尺度神經(jīng)環(huán)路工作的基本理論。

4.認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制

認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)之間仍還有較大的鴻溝，但近年來(lái)人們已經(jīng)開(kāi)始用精確設(shè)計(jì)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，單細(xì)胞記錄和網(wǎng)絡(luò)模型模擬來(lái)研究一些關(guān)鍵的認(rèn)知行為（如決策、工作記憶和選擇性注意）。一個(gè)神經(jīng)生物學(xué)與認(rèn)知科學(xué)相綜合的新領(lǐng)域正在形成，在這個(gè)新領(lǐng)域中，理論方法和建模將起著重要的作用。例如，社會(huì)認(rèn)知學(xué)，它致力于了解社會(huì)行為及情感的腦神經(jīng)基礎(chǔ)，這個(gè)研究將對(duì)社會(huì)產(chǎn)生大的影響，諸如發(fā)展培養(yǎng)兒童認(rèn)知能力的新方法，改進(jìn)經(jīng)濟(jì)和金融抉擇理論，抗老領(lǐng)域里對(duì)老年認(rèn)知功能的修復(fù)和增強(qiáng)等等。

抓住機(jī)會(huì)采取措施

為了促進(jìn)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)取得富有成效的研究成果，我國(guó)需要建立一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn)科學(xué)家合作的機(jī)制，確保理論與實(shí)驗(yàn)之間的雙向交流。

1.建立計(jì)算神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論科學(xué)家合理組合的隊(duì)伍

建立合理的研究隊(duì)伍關(guān)系到計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的質(zhì)量和方向。在上世紀(jì)90年代初剛剛興起時(shí)，美國(guó)Sloan基金會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域建立了5個(gè)Sloan理論神經(jīng)生物學(xué)研究中心，后來(lái)Swart 基金會(huì)介入，又建立了幾個(gè)新的研究中心，目前共有11個(gè)Sloan-Swartz研究中心。這些中心是實(shí)驗(yàn)和理論科學(xué)家的一個(gè)合理的組合，很多計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物大都屬于這些中心。多年來(lái)，Sloan-Swartz研究中心培訓(xùn)了大量有物理學(xué)或其他計(jì)算科學(xué)領(lǐng)域背景的研究生和博士后，使他們成功地轉(zhuǎn)入計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。我國(guó)要在這個(gè)領(lǐng)域有所作為也需要建立一支像他們這樣的隊(duì)伍。

2.投入經(jīng)費(fèi)支持計(jì)算神經(jīng)科學(xué)使之走向成熟

美國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，得益于Sloan和Swartz基金會(huì)的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)和長(zhǎng)期支持和重視。近年來(lái),德國(guó)神經(jīng)科學(xué)家和物理學(xué)家也能專(zhuān)心致力于這個(gè)領(lǐng)域的研究，是德國(guó)政府慷慨出資的結(jié)果。借鑒他們的經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)家們呼吁，我國(guó)應(yīng)當(dāng)在經(jīng)費(fèi)上給以大力支持，組建研究中心和開(kāi)展研究工作，加快、加大后續(xù)研究梯隊(duì)的培養(yǎng)，同時(shí)給實(shí)驗(yàn)科學(xué)家學(xué)習(xí)建模的數(shù)學(xué)知識(shí)及建模方法的機(jī)會(huì)。

3.用高性能計(jì)算設(shè)備支撐計(jì)算神經(jīng)科學(xué)發(fā)展

“從未來(lái)的需求看，哺乳動(dòng)物大腦有千億個(gè)神經(jīng)元和百兆個(gè)突觸連接，要模擬它的真實(shí)模型，對(duì)當(dāng)今最快的十佩塔浮點(diǎn)（peta-〈1015〉flop）運(yùn)算量的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)仍是一個(gè)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(jí)計(jì)算機(jī)研究與開(kāi)發(fā)中心’的一個(gè)重要任務(wù)。”“所以，建立起供神經(jīng)系統(tǒng)模擬時(shí)需要幾千個(gè)快速處理器的計(jì)算機(jī)集群接入到最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)（（high-performance supercomputer）的計(jì)算平臺(tái)，是支撐計(jì)算神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的必要條件。實(shí)際上，這種研發(fā)也會(huì)對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)的發(fā)展起到有力的推動(dòng)作用。新的計(jì)算神經(jīng)科學(xué)研究中心在這個(gè)方面應(yīng)該成為領(lǐng)軍者，建立起有強(qiáng)勁的計(jì)算機(jī)集群（computercluster），接入到最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)（high-performance supercomputer）的計(jì)算平臺(tái)?！蓖粜【┱f(shuō)。

國(guó)內(nèi)首套無(wú)污染排放的直接制環(huán)氧丙烷中試裝置成功運(yùn)行

由天津市科委主持推動(dòng)的天津市科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金支持，天津大沽化工公司與大學(xué)合作，建成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)內(nèi)首套以丙烯和過(guò)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(guó)現(xiàn)有氯醇法制環(huán)氧丙烷帶來(lái)的廢渣、廢水問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)污染排放的綠色生產(chǎn)，為我國(guó)制環(huán)氧丙烷技術(shù)升級(jí)提供了技術(shù)支撐，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)我國(guó)實(shí)施的技術(shù)壟斷。

環(huán)氧丙烷是一種十分重要、用途廣泛的有機(jī)化工原料和精細(xì)化工產(chǎn)品，用于生產(chǎn)環(huán)氧樹(shù)脂、合成甘油、氯醇橡膠、阻燃樹(shù)脂、紙基涂料等，廣泛用于化工、輕工、醫(yī)藥、電子、電鍍、交通運(yùn)輸?shù)确矫?，市?chǎng)需求十分旺盛?，F(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)為氯醇法，因鹽度高很難處理以及環(huán)保問(wèn)題，制約了生產(chǎn)能力擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

2006年，圍繞環(huán)氧丙烷制造技術(shù)創(chuàng)新，投入天津市科技創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)資金750萬(wàn)元，支持大沽化工公司與天津科技大學(xué)、華東理工大學(xué)合作，從丙烯直接氧化制環(huán)氧丙烷的反應(yīng)機(jī)理研究出發(fā)，歷經(jīng)小試后研制出中試裝備并運(yùn)行成功。目前，項(xiàng)目申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)，環(huán)氧丙烷純度達(dá)到99.9%以上，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型環(huán)氧丙烷催化成套技術(shù)，具有工藝路線簡(jiǎn)單優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)環(huán)氧丙烷的綠色制造和產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前已開(kāi)始萬(wàn)噸級(jí)工業(yè)化裝置設(shè)計(jì)建設(shè)，基礎(chǔ)工程開(kāi)始動(dòng)工建設(shè)，其中控制中心完成基本建設(shè)。項(xiàng)目成為國(guó)內(nèi)用高新技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、節(jié)能減排的成功典范。

荷蘭開(kāi)發(fā)出新型人工骨移植材料

荷蘭特文特大學(xué)的研究人員日前開(kāi)發(fā)出一種生物材料，可用于骨移植手術(shù)當(dāng)中，促進(jìn)骨細(xì)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?qū)е碌拇竺娣e骨缺損、骨損傷、骨不連以及整形美容手術(shù)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(zhì)缺損的部位；二是骨形成蛋白(bmps)法，即采用一種骨生長(zhǎng)刺激藥物促使人體生成新的骨細(xì)胞，從而達(dá)到修復(fù)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(jīng)歷兩次手術(shù)（取骨和植骨），不但治療周期長(zhǎng)，還存有一定的風(fēng)險(xiǎn)。而人骨形成蛋白不但價(jià)格極其昂貴，在體內(nèi)精確定位上也有一定難度，如果該蛋白擴(kuò)散到了不恰當(dāng)?shù)奈恢?，就?huì)使健康的部位出現(xiàn)骨增生現(xiàn)象。

荷蘭特文特大學(xué)的研究人員稱(chēng)，他們開(kāi)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?chē)慕M織產(chǎn)生新的骨細(xì)胞，從而促進(jìn)病患部位的骨組織愈合。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)病患部位的骨頭完全愈合時(shí)，該生物材料會(huì)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(nèi)投入臨床應(yīng)用。

英特爾著手開(kāi)發(fā)用意念控制的計(jì)算機(jī)

據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)8月26日?qǐng)?bào)道，英特爾公司正在開(kāi)發(fā)一種意念控制計(jì)算機(jī)，旨在讓計(jì)算機(jī)能直接由大腦操作，通過(guò)意念來(lái)移動(dòng)屏幕上的光標(biāo)，甚至還能直接從用戶思想中讀取單詞。

英特爾科學(xué)家使用核磁共振成像（M R I）掃描儀，測(cè)量了大約20000個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)，目前正在繪制當(dāng)人們思考特定單詞時(shí)的大腦活動(dòng)圖像。英特爾的資深研究人員迪安·波瑪勞說(shuō)：“我們將仿照醫(yī)院所用M R I掃描儀，開(kāi)發(fā)更小的設(shè)備戴在頭部，當(dāng)腦區(qū)活動(dòng)圖繪制出來(lái)以后，計(jì)算機(jī)就能通過(guò)對(duì)比相似的大腦活動(dòng)方式，確定用戶所想的是哪個(gè)單詞?！?/p>

研究人員發(fā)現(xiàn)，思考不同的單詞，會(huì)產(chǎn)生不同的大腦活動(dòng)。比如思考一種食物蘋(píng)果，會(huì)在大腦中與饑餓相連的腦區(qū)引起腦電活動(dòng)，而思考一種與物理有關(guān)的單詞如鐵鍬，會(huì)在與挖掘相關(guān)的運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)引起腦電活動(dòng)。通過(guò)這種方式，計(jì)算機(jī)就能推斷出用戶所想單詞，并很快縮小范圍確定它。

實(shí)驗(yàn)人員已經(jīng)制造出一個(gè)模型，能判斷出諸如房子、螺絲刀、倉(cāng)庫(kù)等單詞。隨著大腦掃描更加先進(jìn)，計(jì)算機(jī)識(shí)別思想的能力也將提高。

如果這項(xiàng)計(jì)劃成功，用戶只要想一想不需動(dòng)手，就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上沖浪、寫(xiě)電子郵件等活動(dòng)。英特爾實(shí)驗(yàn)室主任賈斯汀·拉特納說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)將使人們不再受鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的限制，意念閱讀正是“終極用戶界面”，用戶也將不再擔(dān)憂任何隱私外泄。

這種意念計(jì)算機(jī)對(duì)身體健康的用戶可能用途不大，但對(duì)那些不能操作鍵盤(pán)鼠標(biāo)的殘障人士，將帶來(lái)更多和他人自由溝通的機(jī)會(huì)。

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