• 中文传媒集团欢迎您

蒲慕明:脑科学是人类认识世界认识自我的最终挑战 2021-11-19 09:30:46

脑科学是人类认识世界认识自我的最终挑战

——访中国科学院院士、美国科学院外籍院士蒲慕明教授

文图/《中国医药导报》  主笔   潘 锋  记者  张浩臣

  以“创新,为了人类美好生活”为主题的“2021浦江创新论坛”6月3日在上海举行,上海市委书记李强、科技部部长王志刚等出席论坛全体大会。王志刚在主旨报告中说:“当今世界正经历百年未有之大变局让人类生活更加美好,离不开科技创新的有力支撑。我们将深入落实习近平总书记关于科技创新的重要指示精神,紧紧抓住新科技革命和产业变革的重大战略机遇,在应对全球重大挑战中充分发挥科技创新的关键作用,强化科技创新对新发展格局的支撑引领,把实现人民高品质生活作为重要着力点,为解决不平衡不充分发展的矛盾提供科技创新答案。”

     中国科学院院士、美国科学院外籍院士、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任、上海脑科学与类脑研究中心主任蒲慕明教授,在浦江创新论坛全体大会上做的题为“脑科学、脑疾病与类脑智能”的主题报告中,介绍了中国脑科学计划和未来脑科学研究的重要发展方向。

中国脑科学计划“一体两翼”

  蒲慕明院士首先介绍说,脑科学研究的目标就是要阐明脑功能的神经基础和工作原理,即大脑的结构是什么、大脑是如何工作的,这也是人类理解大自然的终极目标之一。同时也希望从大脑的研究中得到一些启发,从而能够模拟大脑、研发脑机接口和类脑人工系统,得到更高的智能人工器件如智能机器人等,通过模拟大脑创造出像人一样智慧的机器则是人工智能的终极目标,也是脑科学的发展方向之一。另外,在人口健康方面科学家们希望通过对大脑的研究,阐明脑疾病是如何产生等问题,以更好地保护好大脑,防止大脑衰退,诊断治疗脑疾病和创伤,促进智力发展。

  蒲慕明院士说,由于重大脑疾病的危害性十分严重,世界各国都把研究脑疾病作为医疗与健康政策中最优先支持的项目之一。重大脑疾病研究具有综合交叉和科学前沿的双重特点,可以带动信息、电子、先进制造等学科发展,促进新兴产业涌现,美国、欧盟、日本等近年来相继推出的各自的脑计划都是把脑疾病研究作为主要的组成部分和最终目标。中国也已在多年前开始酝酿中国脑科学计划,经过4年讨论于2018年正式确定了中国脑计划的内容,就是“一体两翼”的基本架构,“脑科学与类脑研究”成为科技部创新2030重大科技项目之一。

  蒲慕明院士介绍,“一体”就是指研究脑认知功能的神经基础,包括建立脑研究创新技术平台、开展与认知功能相关的神经环路研究、脑智发育过程研究等。同时,要绘制大脑在介观层面的神经联接图谱,并在此结构图谱的基础上解析神经环路的功能。“两翼”分别是脑疾病诊治和脑机智能技术,脑疾病诊治包括认知相关重大脑疾病的早期诊断与干预、临床和社区队列数据和样本库建立等并以此推动脑健康和医疗产业发展。脑机智能技术则包括了类脑计算系统、类脑器件、智能体以及脑机接口与脑调控技术等,该领域将对未来人工智能产业产生重大影响。

构建大脑介观图谱

  蒲慕明院士认为,要深入理解大脑和阐明大脑是如何工作的就需要精细地了解大脑的结构,现在研究大脑结构有不同分辨率的技术手段,可以从三个层面研究脑神经联接图谱。一是宏观图谱,利用的是核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术,MRI空间分辨率为毫米,在这个范围内大致可以看到神经束在脑区之间的走向。二是介观图谱,旨在进一步发现神经细胞的联接细节,了解每一个神经细胞如何跟其他不同种类的神经细胞进行联接并传送信息,在各种脑功能时有什么神经活动。介观图谱是细胞层面的,空间分辨率为微米,使用的是光学显微镜成像技术。三是微观图谱,在电子显微镜下对神经细胞联接的细节进行观察,电子显微镜成像的空间分辨率是纳米,可以观测到细胞的内部结构。目前介观全脑神经联接图谱是全世界神经科学家都十分关心的一个研究方向,中国科学家团队在介观图谱绘制方面已做出国际瞩目的成果。

  蒲慕明院士介绍,大脑认知的神经原理是一项十分重要的基础神经科学研究,主要内容包括基本的脑功能,如感觉和知觉、学习和记忆、情绪和情感、注意和抉择等,从线虫、果蝇和斑马鱼到小鼠和猴子等很多动物都具备这些基本功能,通过对这些动物大脑的研究理解执行上述功能的相关神经环路和工作机理。此外还有高级脑认知功能,高级脑认知功能只有灵长类以上较高等的动物才有,如共情心、亲社会行为、意识、语言等,还有人类复杂的语言也是其他动物所没有的,因此脑科学研究需要了解高级脑认知功能的神经环路和工作机理,阐明认知功能产生机理对于设计类人脑的下一代人工智能具有重要意义。此外,脑科学研究还有助发现脑认知功能的发育过程,如孩子刚出生的时候为什么会出现智能,大脑的成长过程是怎么回事,阐明认知功能发育的神经环路、遗传和环境因素对认知功能的影响等。

  蒲慕明院士说,探究上述因果关系和全景式理解大脑未知首先需要一张大脑“地图”即全脑介观神经联接图谱。我们需要知道大脑中神经元的种类,然后要弄清楚不同脑区每一类神经元的输出和输入的神经联接,他们把信息都传送到哪里去了,接收到了哪些神经细胞的信息,这就是神经联接的结构图谱的作用。有了结构图谱才能进一步观测脑神经网络中各种神经环路上的电活动,理解电信号如何在网络中进行处理和存储,这就是神经联接的活动图谱,有了活动图谱才能解析神经环路的工作原理,因此,未来脑科学研究的第一个关键点就是在介观层面上阐明大脑的网络结构和功能。

  蒲慕明院士介绍,我国已启动了一个绘制全脑介观神经联接图谱的大科学计划,该计划将首先绘制小鼠、猕猴等等模式动物的全脑介观神经联接图谱,最终将扩展到人类大脑的全脑介观神经联接图谱。目前我国介观图谱绘制技术已居世界领先水平,中国科学院院士、华中科技大学武汉光电国家研究中心生物医学光子学功能实验室教授骆清铭等,创建了具有亚微米分辨率的全脑显微光学切片断层成像(microoptical slice tomography,MOST)技术,这一技术满足了全脑介观神经联接图谱绘制的重大需求。利用这一技术研究人员已经三维重构了数千个小鼠皮层神经元的轴突全脑投射图谱,这些神经元种类繁多,它们的全脑投射有许多特殊的规律,这些规律只有通过介观层面细胞分辨率的分析才能解析清楚。人脑有近千亿个细胞,分析的复杂性和庞大的数据量都是难以想象,需要数理科学家、信息科学家等的共同努力。

服务健康中国

  蒲慕明院士说,来自世界卫生组织的数据显示在各种疾病的社会负担中脑疾病占28%。这些脑疾病包括单向情感障碍、药物和酒精成瘾、其他心智障碍及精神疾病、精神分裂症、双相型障碍、痴呆、癫痫和其他神经类疾病,包括神经类和精神类疾病在内的各种脑疾病在所有疾病中社会负担最大,超过了心血管疾病和癌症。另外需要看到的是目前还没有治疗脑疾病很有效的药物,中国和世界脑疾病药物研发进展缓慢。

  蒲慕明院士认为,脑科学研究的重大应用就是为健康中国服务。如何维持健康的大脑发育和智力发育等都是非常重要的社会问题,维持大脑正常功能,延缓大脑退化也是健康生活所必需的。目前,中国65岁以上老年人超过1亿,我国已进入老龄化社会,而神经退行性疾病是老龄化社会必须面对的一个大问题。此外,对于幼年期孤独症和智障、成年抑郁症和成瘾、老年期的退行性脑疾病、阿尔茨海默病与帕金森病等各种重大脑疾病,只有充分了解了他们的发病机理才能够找到最有效的解决方法。对各种重大脑疾病尽管已有了数十年的研究,科学界也提出了一些理论,但至今很多脑疾病的发病机理仍不清楚,也没有很好的解决方法,为未来的研究之路还很长。但在完全弄清楚发病机理之前必须研发出针对不同脑疾病的早期诊断指标和早期干预手段,需要确立脑重大疾病预警手段和血液、脑脊液、分子影像、脑功能等早诊指标。一旦有了早诊指标就可以进行早期干预,如可以用一些手段来减缓或延迟记忆衰退。未来需要研发更多的脑重大疾病早期干预、治疗与康复新技术、新方法、新仪器,包括药理、生理、心理和物理技术等。

  “要等我们把致病机理搞清楚就太晚了,社会负担太大了,我们要在这之前对疾病有预警,能早期诊断,能进行早期干预。”蒲慕明院士说,蒲慕明院士认为,脑重大疾病研究需要有更加符合临床实际的非人灵长类疾病模型,从而为相关药物、诊断与治疗技术的研发提供可靠的平台,缩短临床转化应用的时间。脑疾病治疗目前面临着很难找到特异性药物靶点这一难题。因此,在临床前为判别药物是否可用需要进行动物实验,检测的首要指标就是药物的安全性即观察动物使用后是否安全,健康指标会不会受到不良的影响等。脑疾病诊治新技术研究首先要建立带有脑疾病的动物模型,在这些模型上进行各种干预手段的筛选和验证,然后再进行人体临床实验并最终成为临床可应用的干预和治疗手段。由于猕猴的大脑结构与人类非常相近,因此是很好的模式动物,所以建立猕猴脑疾病动物模型是十分必要的。克隆猴“中中”和“华华”(正常猴)于2017年底诞生,Nature发表评论称“克隆猴将为生物医学界带来革命性的进展”,节律紊乱疾病模型克隆猴于2018年底诞生,这些中国科学院神经科学研究所的成果都为脑疾病治疗研究提供了很好的动物疾病模型。

  蒲慕明院士介绍,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所于2016年启动脑功能检查工具集研发项目,研发出了一组定量、广谱、简易有效的脑功能障碍早期诊断标准化工具集。通过多单位、多课题组团队设计了15项认知功能定量检测工具集(1.0版),包括视听嗅觉、短期记忆、长期记忆、面孔识别、注意力、负面情绪、眼动轨迹、手动、冲动控制、决策与判断力、语言等。

  “玩一些游戏,做一些脑电记录和眼动记录都是客观定量的,工具集一个半小时给的数值可以指出你的各种脑功能的状态。”蒲慕明院士说。

  蒲慕明院士介绍说,脑健康普查30年目标是:2020—2021年,认知功能定量检测工具集(1.0版)在上海各大医院和精神卫生中心试用;2025年,建立各项脑功能指标随年龄的正态分布和异常界定标准,在长三角各大医院实现老年人群全面实施脑健康普查,为脑疾病早期预警和诊断提出指导性建议和方案,为各种异常脑功能提供特异性早期干预方法和手段。2050年,脑健康普查将全面推广到全国,通过早期诊断和早期干预改善我国老年人群脑健康状况,减轻社会医养负担,同时将中国脑健康普查模式、检测标准、干预手段推广到全球,为世界脑健康做出中国贡献。

脑机智能技术发展方向

  蒲慕明院士在报告最后一部分重点阐述了中国脑科学计划“两翼”中的另一翼即脑机智能技术。脑机智能技术的未来发展方向包括:脑机接口和脑机融合新模型、新方法,脑活动调控技术,即通过电、磁、光、超声来改变大脑的状态。尽管现在的深度网络计算模型很好,但与人脑相比还相差得很远,需要开发新一代机器学习模型和类脑计算系统以及类神经元芯片、处理器、存储器和计算机。如果能够更进一步研发出类人脑的新型计算模型和新的类似神经元的处理硬件并将他们应用到新一代计算机上,则有可能做出更优秀、更高效的计算机,他们的信息处理能力也将更接近人类并且能耗更低效率更高。此外,脑机智能技术发展还要开发类脑智能体和智能机器人、大数据信息处理和计算新理论。

    蒲慕明院士特别谈到了目前科学界最为热门、公众也格外关注的脑机接口(brain-computer interface,BCI)。脑机接口技术是在脑与外部设备之间建立通讯控制通道,用大脑的生物电信号操控外部设备并反馈调控脑活动,通过脑-机-环境-脑的反馈式交互实现“脑控”与“控脑”。

  蒲慕明院士强调,脑机接口还有一些重大的科学问题有待解决。第一个问题是如何解码大脑信息,也就是需要知道大群神经元的电活动规律和其所代表的意义。目前通过收集脑波信息再用人工智能算法和机器学习算法,解码的脑波信息解码只是“表面”解码,并不是真正理解了大脑活动,并且需要大量精准标记的数据机器学习算法才能学会“表面”解码。第二个问题是如何调控大脑,即要调控与脑功能相关的特定神经环路电活动,也需要理解神经环路的工作原理,否则就是盲目调控。

  蒲慕明院士介绍,我国科学家已研发出具有高度组织相容性的柔性电极阵列,可以做到高时空精度、高通量地记录动物大脑的电活动,微创、集成化、可植入的小型超柔电极-芯片系统将可应用于脑疾病闭环精细调控。我国科学家未来将研发基于柔性电极的闭环脑机接口,用于治疗运动与视觉障碍的患者。柔性电极电极也可应用到大脑网络基础研究,利用超柔电极优势做多脑区、大范围、长期的信号采集将有助于理解脑认知和学习过程中大脑神经环路的工作原理。蒲慕明院士介绍,上海脑科学与类脑研究中心的团队目前已实现将柔性电极阵列植入清醒猕猴,可猴子在完全清醒的情况下同时记录上千个通道,每个通道能够观测到单一神经元的放电,现在已经得到了大量信息,进一步需要解码这些数据,解析其内涵。

  蒲慕明院士认为,对大脑的结构和功能的理解是人类认识世界、认识自我的最终挑战,神经科学将是21世纪最活跃的前沿基础学科,要成为真正的科技强国,中国科学家必须要解决世界科技前沿问题和重大问题,做科学领域的“探险家”。近年来很多的青年科学家海外留学归来,未来年轻人是很有希望的。


专家简介

  蒲慕明,中国科学院院士、美国科学院外籍院士、教授,博士生导师,现任中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任、上海脑科学与类脑研究中心主任。神经生物学家和生物物理学家,主要从事神经生长和轴突导向、神经元极性建立和神经元迁移等领域研究。