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【重磅】认识脑、保护脑、模拟脑“三位一体”上海脑计划为脑科学留“接口”

2016-6-1 13:16| 发布者: admin| 查看: 874| 评论: 0

在复旦大学枫林校区明道楼13楼,中科院院士杨雄里的实验室中摆放多年,用于饲养鲫鱼的大鱼缸不见了。看似小事,可对这位科学家来说,是个大转折——动物模型变了。当初养鱼,是因为杨院士多年专注视觉的神经机制研究 ...



在复旦大学枫林校区明道楼13楼,中科院院士杨雄里的实验室中摆放多年,用于饲养鲫鱼的大鱼缸不见了。


看似小事,可对这位科学家来说,是个大转折——动物模型变了。当初养鱼,是因为杨院士多年专注视觉的神经机制研究,而鱼因其视网膜细胞大又具备三色觉,是较为理想的研究模型。而近年来,他将研究重心由基础理论转向与临床问题紧密结合,关注青光眼、近视眼的发病机理,于是,与人眼结构更接近的大鼠、小鼠,成了新的研究对象。


“在现代脑科学研究领域,我们不仅要重视基础理论的研究,还应该为其留出‘接口’,站在认识脑、保护脑、模拟脑‘三位一体’的高位上,开展研究工作。”杨雄里说。


据记者了解,在全球人脑研究、人工智能竞争激烈的大背景下,中国脑计划正在酝酿中,上海将“脑科学与人工智能”列入《关于加快建设具有全球影响力的科技创新中心的意见》中,作为22个重大战略方向中8个基础工程之首。2015年3月,上海市科委在全国优先启动“脑科学与人工智能”项目,组织上海市优势科研和产业力量,前瞻布局和探索上海脑科学发展路径,国家第二批千人计划、上海国家数学中心首席科学家、复旦大学冯建峰教授担任该项目首席科学家。在项目前期研究的基础上,由上海市科委主导,复旦大学、上海交通大学、中科院上海分院等10多家单位共同参与的“上海脑科学与类脑智能技术路线图”的战略研究正在紧锣密鼓地展开,其目标之一是使上海成为全球脑科学与人工智能研究的高地。


挑战:揭秘上千亿人脑神经细胞


人类思维的物质载体是大脑皮层,然而大脑皮层神经环路如何发育,始终是未解之谜。不久前,复旦大学脑科学研究院禹永春课题组通过国际合作,给出了自己的答案:神经环路的形成有着类似于人类社会关系中“血浓于水”的发育特性,即神经元间亲缘性越高则越容易形成环路联系,而对于这些高亲缘性的“姐妹神经元”,正是“电突触”紧密联系在一起。


这一研究登上《自然》杂志,并获得国际同行高度关注和认可。《自然》杂志在同期以“姐妹神经元的连接纽带”为题对此研究做了专题评述,认为找到了高亲缘性神经元相互联系的“关键纽带”。2014年诺贝尔生理学或医学奖得主爱德华·莫瑟尔教授在Facultyof1000(由1000多位世界最好的生物学家在线推荐和评论已发表论文的网站)对此工作做了很高的点评,认为“该研究成果对脑皮层神经环路发育有重要意义”。


近年来,在脑科学研究领域中,这样的重量级成果不少。作为复旦大学传统优势学科,神经生物学在前两次全国二级学科评估中均名列前茅,神经科学和行为学进入ESI国际排名前1%。2006年成立的脑科学研究院,是国内第一家整合基础前沿领域、临床应用领域的脑科学研究机构。


值得关注的是,依托脑科学、生物学、基础医学、临床医学、药学、数学、计算机、信息等综合学科优势,2014年由复旦大学牵头,联合浙江大学、华中科技大学、同济大学、上海交通大学等高校和中科院研究院所,成立的“脑科学协同创新中心”,下设脑科学前沿研究部、脑疾病与脑保护研究部、脑科学技术与类脑智能研究部。在复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院院长冯建峰看来,类脑研究内容涵盖解析复杂数据,模拟脑工作,探究记忆、学习、决策等原理,此外还模拟智能交互、大数据挖掘、智能医疗诊断等多方面。


杨雄里教授给出一组数据:组成人脑的神经细胞数量上千亿,与银河系星体总数相当;而作为神经细胞的连接点“突触”数量,又是神经细胞的1000倍,达到10的14次方。正是这些庞大数字的细胞构成的神经环路和网络,使人类得以产生感觉、形成意识、能学习记忆,拥有思维和认知能力。这些环路每秒可完成高达千万次的动态链接,而人类大脑可储存的信息相当于美国国会图书馆藏书总量的50倍……因此,揭示脑的奥秘已成为人类认知面临的最大挑战。


攀登:脑科学医学临床治疗互动


近阶段,复旦大学脑科学研究院院长马兰教授的团队,研究的课题与“记忆”有关:人类的记忆到底存储在哪里?当你开始记忆时,哪些神经细胞正在活动?若能准确定位这些存储特定记忆的细胞,并选择性地操控这些神经细胞的活动,是否可以操纵记忆,将其抹去或修改?这些课题不仅有重要的理论意义,对开发新的途径消除药物成瘾的严重后果也有指导作用。


“80后”青年研究员何苗是曾在美国冷泉港实验室工作8年的海归姑娘。她致力于通过转基因技术,给不同类型、不同功能的神经细胞戴上不同的“标签”,从而能够分别研究和控制这些神经细胞的活动。在她的电脑屏幕上,不同类型神经细胞色彩缤纷,结构清晰。据了解,这一技术目前是全球神经科学研究的前沿和热点,而如何更准确、精细地标注更多类型和功能的神经细胞正是研究焦点所在。目前,复旦课题组已经发现并掌握20多种神经细胞的“染色”技术。何苗说,有了这些,不但对更好地认识神经环路和脑功能有帮助,对未来脑疾病的临床治疗同样有很大意义。神经细胞是构筑脑功能环路的基本部件,如果能找出是神经系统的哪一个“部件”出了问题,就可以进行精准的靶向治疗。


复旦大学在推进脑科学研究的进程中特别注意基础和临床的结合。近年来,复旦大学脑科学研究院、复旦大学附属眼耳鼻喉科医院王中峰教授、孙兴怀教授和杨雄里院士率领的视网膜研究团队,发现视网膜胶质细胞激活等机制在青光眼发病中的作用,为临床上有效防止青光眼所导致的视网膜神经细胞的死亡(失明),从一个侧面提供了新的理论依据。系列论文已刊登在国际神经科学著名期刊《神经科学杂志》上。


探索:站上“第二次浪潮”潮头


早在100多年前,著名的西班牙科学家、神经系统研究的先驱者圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔曾经说过,“只要大脑的奥秘尚未大白于天下,宇宙将仍是一个谜”。如今,正逢脑研究领域“第二次浪潮”。


此前,美国国会曾把上世纪最后十年定名为“脑的十年”,并规划出58个大的研究课题。以此为发端,各国都相继加强了对脑的研究。2013年以来,欧美科研强国又纷纷吹响了探索大脑奥秘的号角。2013年4月2日,美国总统奥巴马向全球公布了“推进创新神经技术脑研究计划”。欧盟、日本随即予以响应,欧洲推出了超过15个欧盟国家参与、为期10年的“人类脑计划”,而日本则启动了日本脑计划。此次美欧在这一领域的全新计划,正是多年探索基础上的又一次发力。前者意图通过先进技术更深入了解人脑功能单元的连接组成及其动力学变化,后者则偏重在采集大量数据的基础上,向“人工模拟大脑功能系统”进发。


如何站上这“第二次浪潮”的潮头?通过传统的神经生物学与计算机、数学、信息等学科间交叉和互动迸发出更多思维火花,是脑科学领域中全球面临的难点。在杨雄里教授看来,要跨越传统学科间的鸿沟,需要各学科专家更多了解其它学科的科学内涵。医学、神经生物学专家要更多了解人工智能和类脑研究,而人工智能、类脑研究专家要更多了解神经科学,这样才能建立起共同语言,进而通过紧密合作、深入沟通产生头脑风暴。从目前情况来看,要对接合作、共享信息,还需更多磨合。为了促进这种磨合,在“脑科学协同创新中心”,定期举行跨学科、跨单位的学术讲座、博士论坛,取得了良好的效果。


专家点评


王晓民教授(首都医科大学神经生物学系主任、北京脑重大疾病研究院院长)

  

复旦大学“脑科学研究院”是中国脑科学研究的重镇之一,该院牵头的“脑科学协同创新中心”,是一支由杨雄里院士领衔的以中青年为骨干的有实力的脑科学研究团队。作为大学领导和组织脑科学研究的统一机构,在协调基础和临床研究方面,有了长足进展,并在若干领域取得了具有世界先进水平的研究成果,在组织和推动“中国脑计划”的进程中,起到了重要作用。


随着新一轮国际脑科学研究的兴起,国内外竞争日趋激烈。我相信有关各方会更加关注高端人才的引进与培养,给予更多的资源投入和政策支持,以持续保持复旦大学脑科学研究的优势地位。


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