【重磅】認識腦、保護腦、模擬腦“三位一體”上海腦計劃為腦科學留“接口”

在復旦大學楓林校區(qū)明道樓13樓，中科院院士楊雄里的實驗室中擺放多年，用于飼養(yǎng)鯽魚的大魚缸不見了。

看似小事，可對這位科學家來說，是個大轉(zhuǎn)折——動物模型變了。當初養(yǎng)魚，是因為楊院士多年專注視覺的神經(jīng)機制研究，而魚因其視網(wǎng)膜細胞大又具備三色覺，是較為理想的研究模型。而近年來，他將研究重心由基礎理論轉(zhuǎn)向與臨床問題緊密結合，關注青光眼、近視眼的發(fā)病機理，于是，與人眼結構更接近的大鼠、小鼠，成了新的研究對象。

“在現(xiàn)代腦科學研究領域，我們不僅要重視基礎理論的研究，還應該為其留出‘接口’，站在認識腦、保護腦、模擬腦‘三位一體’的高位上，開展研究工作。”楊雄里說。

據(jù)記者了解，在全球人腦研究、人工智能競爭激烈的大背景下，中國腦計劃正在醞釀中，上海將“腦科學與人工智能”列入《關于加快建設具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心的意見》中，作為22個重大戰(zhàn)略方向中8個基礎工程之首。2015年3月，上海市科委在全國優(yōu)先啟動“腦科學與人工智能”項目，組織上海市優(yōu)勢科研和產(chǎn)業(yè)力量，前瞻布局和探索上海腦科學發(fā)展路徑，國家第二批千人計劃、上海國家數(shù)學中心首席科學家、復旦大學馮建峰教授擔任該項目首席科學家。在項目前期研究的基礎上，由上海市科委主導，復旦大學、上海交通大學、中科院上海分院等10多家單位共同參與的“上海腦科學與類腦智能技術路線圖”的戰(zhàn)略研究正在緊鑼密鼓地展開，其目標之一是使上海成為全球腦科學與人工智能研究的高地。

挑戰(zhàn)：揭秘上千億人腦神經(jīng)細胞

人類思維的物質(zhì)載體是大腦皮層，然而大腦皮層神經(jīng)環(huán)路如何發(fā)育，始終是未解之謎。不久前，復旦大學腦科學研究院禹永春課題組通過國際合作，給出了自己的答案：神經(jīng)環(huán)路的形成有著類似于人類社會關系中“血濃于水”的發(fā)育特性，即神經(jīng)元間親緣性越高則越容易形成環(huán)路聯(lián)系，而對于這些高親緣性的“姐妹神經(jīng)元”，正是“電突觸”緊密聯(lián)系在一起。

這一研究登上《自然》雜志，并獲得國際同行高度關注和認可。《自然》雜志在同期以“姐妹神經(jīng)元的連接紐帶”為題對此研究做了專題評述，認為找到了高親緣性神經(jīng)元相互聯(lián)系的“關鍵紐帶”。2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎得主愛德華·莫瑟爾教授在Facultyof1000（由1000多位世界最好的生物學家在線推薦和評論已發(fā)表論文的網(wǎng)站）對此工作做了很高的點評，認為“該研究成果對腦皮層神經(jīng)環(huán)路發(fā)育有重要意義”。

近年來，在腦科學研究領域中，這樣的重量級成果不少。作為復旦大學傳統(tǒng)優(yōu)勢學科，神經(jīng)生物學在前兩次全國二級學科評估中均名列前茅，神經(jīng)科學和行為學進入ESI國際排名前1%。2006年成立的腦科學研究院，是國內(nèi)第一家整合基礎前沿領域、臨床應用領域的腦科學研究機構。

值得關注的是，依托腦科學、生物學、基礎醫(yī)學、臨床醫(yī)學、藥學、數(shù)學、計算機、信息等綜合學科優(yōu)勢，2014年由復旦大學牽頭，聯(lián)合浙江大學、華中科技大學、同濟大學、上海交通大學等高校和中科院研究院所，成立的“腦科學協(xié)同創(chuàng)新中心”，下設腦科學前沿研究部、腦疾病與腦保護研究部、腦科學技術與類腦智能研究部。在復旦大學類腦人工智能科學與技術研究院院長馮建峰看來，類腦研究內(nèi)容涵蓋解析復雜數(shù)據(jù)，模擬腦工作，探究記憶、學習、決策等原理，此外還模擬智能交互、大數(shù)據(jù)挖掘、智能醫(yī)療診斷等多方面。

楊雄里教授給出一組數(shù)據(jù)：組成人腦的神經(jīng)細胞數(shù)量上千億，與銀河系星體總數(shù)相當；而作為神經(jīng)細胞的連接點“突觸”數(shù)量，又是神經(jīng)細胞的1000倍，達到10的14次方。正是這些龐大數(shù)字的細胞構成的神經(jīng)環(huán)路和網(wǎng)絡，使人類得以產(chǎn)生感覺、形成意識、能學習記憶，擁有思維和認知能力。這些環(huán)路每秒可完成高達千萬次的動態(tài)鏈接，而人類大腦可儲存的信息相當于美國國會圖書館藏書總量的50倍……因此，揭示腦的奧秘已成為人類認知面臨的最大挑戰(zhàn)。

攀登：腦科學醫(yī)學臨床治療互動

近階段，復旦大學腦科學研究院院長馬蘭教授的團隊，研究的課題與“記憶”有關：人類的記憶到底存儲在哪里？當你開始記憶時，哪些神經(jīng)細胞正在活動？若能準確定位這些存儲特定記憶的細胞，并選擇性地操控這些神經(jīng)細胞的活動，是否可以操縱記憶，將其抹去或修改？這些課題不僅有重要的理論意義，對開發(fā)新的途徑消除藥物成癮的嚴重后果也有指導作用。

“80后”青年研究員何苗是曾在美國冷泉港實驗室工作8年的海歸姑娘。她致力于通過轉(zhuǎn)基因技術，給不同類型、不同功能的神經(jīng)細胞戴上不同的“標簽”，從而能夠分別研究和控制這些神經(jīng)細胞的活動。在她的電腦屏幕上，不同類型神經(jīng)細胞色彩繽紛，結構清晰。據(jù)了解，這一技術目前是全球神經(jīng)科學研究的前沿和熱點，而如何更準確、精細地標注更多類型和功能的神經(jīng)細胞正是研究焦點所在。目前，復旦課題組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并掌握20多種神經(jīng)細胞的“染色”技術。何苗說，有了這些，不但對更好地認識神經(jīng)環(huán)路和腦功能有幫助，對未來腦疾病的臨床治療同樣有很大意義。神經(jīng)細胞是構筑腦功能環(huán)路的基本部件，如果能找出是神經(jīng)系統(tǒng)的哪一個“部件”出了問題，就可以進行精準的靶向治療。

復旦大學在推進腦科學研究的進程中特別注意基礎和臨床的結合。近年來，復旦大學腦科學研究院、復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院王中峰教授、孫興懷教授和楊雄里院士率領的視網(wǎng)膜研究團隊，發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜膠質(zhì)細胞激活等機制在青光眼發(fā)病中的作用，為臨床上有效防止青光眼所導致的視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞的死亡（失明），從一個側(cè)面提供了新的理論依據(jù)。系列論文已刊登在國際神經(jīng)科學著名期刊《神經(jīng)科學雜志》上。

探索：站上“第二次浪潮”潮頭

早在100多年前，著名的西班牙科學家、神經(jīng)系統(tǒng)研究的先驅(qū)者圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾曾經(jīng)說過，“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙將仍是一個謎”。如今，正逢腦研究領域“第二次浪潮”。

此前，美國國會曾把上世紀最后十年定名為“腦的十年”，并規(guī)劃出58個大的研究課題。以此為發(fā)端，各國都相繼加強了對腦的研究。2013年以來，歐美科研強國又紛紛吹響了探索大腦奧秘的號角。2013年4月2日，美國總統(tǒng)奧巴馬向全球公布了“推進創(chuàng)新神經(jīng)技術腦研究計劃”。歐盟、日本隨即予以響應，歐洲推出了超過15個歐盟國家參與、為期10年的“人類腦計劃”，而日本則啟動了日本腦計劃。此次美歐在這一領域的全新計劃，正是多年探索基礎上的又一次發(fā)力。前者意圖通過先進技術更深入了解人腦功能單元的連接組成及其動力學變化，后者則偏重在采集大量數(shù)據(jù)的基礎上，向“人工模擬大腦功能系統(tǒng)”進發(fā)。

如何站上這“第二次浪潮”的潮頭？通過傳統(tǒng)的神經(jīng)生物學與計算機、數(shù)學、信息等學科間交叉和互動迸發(fā)出更多思維火花，是腦科學領域中全球面臨的難點。在楊雄里教授看來，要跨越傳統(tǒng)學科間的鴻溝，需要各學科專家更多了解其它學科的科學內(nèi)涵。醫(yī)學、神經(jīng)生物學專家要更多了解人工智能和類腦研究，而人工智能、類腦研究專家要更多了解神經(jīng)科學，這樣才能建立起共同語言，進而通過緊密合作、深入溝通產(chǎn)生頭腦風暴。從目前情況來看，要對接合作、共享信息，還需更多磨合。為了促進這種磨合，在“腦科學協(xié)同創(chuàng)新中心”，定期舉行跨學科、跨單位的學術講座、博士論壇，取得了良好的效果。

專家點評

王曉民教授（首都醫(yī)科大學神經(jīng)生物學系主任、北京腦重大疾病研究院院長）　

復旦大學“腦科學研究院”是中國腦科學研究的重鎮(zhèn)之一，該院牽頭的“腦科學協(xié)同創(chuàng)新中心”，是一支由楊雄里院士領銜的以中青年為骨干的有實力的腦科學研究團隊。作為大學領導和組織腦科學研究的統(tǒng)一機構，在協(xié)調(diào)基礎和臨床研究方面，有了長足進展，并在若干領域取得了具有世界先進水平的研究成果，在組織和推動“中國腦計劃”的進程中，起到了重要作用。

隨著新一輪國際腦科學研究的興起，國內(nèi)外競爭日趨激烈。我相信有關各方會更加關注高端人才的引進與培養(yǎng)，給予更多的資源投入和政策支持，以持續(xù)保持復旦大學腦科學研究的優(yōu)勢地位。