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腦科學:繪製認知原理圖,探尋腦疾病“藥方”

2021-03-11 17:01

  與歐美、日本的“腦計劃”相比,“中國腦計劃”更為全面。部署中所包括的兒童腦智發育和提升研究,是世界上最前沿的腦科學研究方向之一。

  左西年 北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室教授

  今年春節,一張張字跡書寫規整的“福”和“牛”字春聯張貼在天津大學醫學工程與轉化醫學研究院裏,這些春聯並不尋常,都是出自腦電波操控的機械臂之“手”,是天津大學神經工程團隊依靠腦—機接口技術,通過自主研發的“哪吒”多腦協控智臂系統完成的。

  腦—機接口是人類探索大腦的前沿科學方向之一。時至今日,理解腦的工作機制,對於治療重大腦疾病,對人腦功能進行開發、模擬和保護,以及搶佔國際競爭的技術制高點具有重要意義。

  早在2016年,“中國腦計劃”——“腦科學與類腦研究”就作為重大科技項目被列入國家“十三五”規劃。在最新出台的“十四五”規劃綱要草案中,“腦科學與類腦研究”被繼續列入重大科技項目之中。

  1月19日,科技部公開徵求科技創新2030—“腦科學與類腦研究”重大項目2020年度項目申報指南意見,為我國腦科學研究實現跨越式發展吹響了號角。

  “中國腦計劃”佈局一體兩翼 

  為加快我國腦科學研究,2014年3月召開的香山科學會議以“我國腦科學研究發展戰略研究”為主題,探討了中國腦科學研究計劃的目標、任務和可行性。經多次論證,各領域科學家提出了“中國腦計劃”一體兩翼的佈局建議,即以研究腦認知原理為“主體”,以研發腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術為“兩翼”。

  “一體”在腦認知原理方面,主要解決3個層面的問題:一是大腦對外界環境的感官認知;二是對人類及非人靈長類自我意識的認知;三是對語言的認知,用以研究人工智能技術。

  “‘兩翼’中,在探索和治療大腦疾病方面,攻克孤獨症、抑鬱症、老年痴呆症、帕金森病等疾病是首要目標。”中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心研究員仇子龍表示,各種腦疾病增加了社會和家庭的負擔,且絕大多數腦疾病尚無有效治療方法,亟須在診斷和治療上有所突破。

  “另一翼則是如何利用腦科學研究來推動新一代人工智能技術的發展,即類腦科學。當前類腦科學依賴兩個關鍵領域,分別是仿腦計算和腦—機接口。”天津大學科研院常務副院長、醫學工程與轉化醫學研究院院長、天津腦科學中心主任明東進一步介紹,目前仿腦計算的國際前沿技術研究主要包括類腦芯片、類腦計算體系結構等;腦—機接口的前沿技術研究主要是高通量腦信息傳感技術、腦—機編解碼關鍵技術等。

  北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室教授左西年介紹,與歐美、日本的“腦計劃”相比,“中國腦計劃”更為全面。比如,“一體”部署中所包括的兒童腦智發育和提升研究,是世界上最前沿的腦科學研究方向之一,面向國家在兒童、青少年學習教育和健康發展方面的重大需求,建設大型學齡兒童的長期追蹤隊列,揭示腦智發育的一般規律和提升機制。

  根據“中國腦計劃”佈局,北京、上海均已啓動“腦科學與類腦智能”地區性計劃,並分別成立腦科學與類腦研究中心。中國科學院也成立了包含20家院所80餘個精英實驗室的腦科學和智能技術卓越創新中心,各高校也紛紛成立類腦智能研究中心。

  腦智提升計劃將揭示腦發育神經科學機制 

  隨着“中國腦計劃”的實施,我國在“腦科學與類腦研究”領域取得多項世界性突破。

  2020年4月,《自然》主刊在“自然聚焦—中國腦科學”欄目中,介紹了正在蓬勃發展的中國腦科學領域的研究機構現狀、研究成果以及產業化情況。

  “我國近些年在仿腦計算和腦—機接口方面發展迅猛,在仿腦計算方面,2019年,浙江大學發佈了‘達爾文’二代神經擬態類腦芯片;2019年,清華大學成功研製出國際首款異構融合的類腦芯片‘天機芯’。”明東介紹,在腦—機接口方面,2014年,天津大學自主研發了全球首台人工神經康復機器人系統“神工一號”;2015年,清華大學研究團隊設計了一套40指令的高速腦—機接口系統,單指令輸出時間僅為1秒;2019年,天津大學研製的“腦語者”芯片問世,為無創腦—機接口的微型化和實用化開闢了道路。

  在臨牀上,我國在腦部疾病的治療和研究方面也取得了一定的進展。“經過流行病學研究,2020年公佈了中國學齡期孤獨症譜系障礙患兒的患病率為1/142,這是我國首個通過大型流調得出的準確數據。”仇子龍介紹,該研究成果為我國孤獨症基礎和臨牀研究中長期戰略規劃的實施奠定了基礎。

  “此外,我國是帕金森病的發病大國,作為改善帕金森病臨牀症狀的有效治療,我國在深腦電刺激臨牀手術量方面處於世界前列,首都醫科大學附屬天壇醫院、上海交大醫學院附屬瑞金醫院已經成為腦疾病神經調控治療與研究的世界級中心。”仇子龍説。

  在臨牀研究取得一定進展的同時,我國腦疾病基礎研究也收穫頗豐,在腦疾病的非人靈長類模型研究方面在國際上持續領跑。比如2016年,仇子龍研究組建立了世界上第一個自閉症非人靈長類動物模型;2017年昆明理工大學季維智院士團隊,首創基因編輯的腦發育疾病猴模型;2019年,中國科學院腦智卓越中心張洪鈞與孫強研究組合作運用基因編輯以及體細胞克隆的方法建立了節律異常與衰老的獼猴模型……

  在一體兩翼的佈局中,我國的腦智提升計劃具有創新性和獨特性。左西年介紹,前期我國在教育質量監測以及青少年心理認知行為的測評、普查等方面,已完成相應的大型基礎數據建設,通過“彩巢計劃—成長在中國”和“學齡兒童腦發育與學校適應的影像遺傳隊列”的推進,積累了地區性腦智發育隊列建設的經驗。“‘中國腦計劃’中腦智發育和提升部署,正是在此基礎上,建設腦發育的大型基礎數據,揭示其神經科學機制。”

  “目前歐美以及新加坡等國家也開展了腦發育大型研究,比如美國在2015年啓動為期10年的大型‘青少年腦與認知發育隊列’。”左西年進一步介紹,這項研究針對美國青少年成癮和其他普遍存在的風險性行為,通過追蹤1萬名9—10歲的兒童腦智發育揭示其背後的科學機制。而我國的大型腦智發育隊列則是服務於兒童學習發展需求,隨訪調查了3萬名學齡兒童和青少年(6—18歲)腦智發育情況。

  未來人類智能和機器智能將無縫融合 

  “目前,中國在青少年腦智發育和提升領域的研究已經佔據了世界領跑的位置。”左西年認為,其中頗具特色的部署就是國家層面的大型追蹤隊列,通過10—15年的隨訪,獲得小學一年級到成年過程中腦發育和認知發育、心理健康以及行為發展等各方面的數據。

  “青少年腦智提升的研究意義重大,為教育部門制定更科學的教學計劃和教育政策提供參考,也可幫家長了解孩子的生長髮育情況,使孩子平穩度過青春期。”左西年補充道,兒童心理健康問題和精神疾病都有其早期的潛在發育病因學機制,腦智發育規律可為其早期診斷提供科學依據。

  “‘十四五’規劃綱要草案對於腦疾病研究的目標非常明確,就是以老年痴呆症、抑鬱症、孤獨症這三大疾病為抓手,推進臨牀資源的整合和基礎研究的發展。”仇子龍表示,“目前,圍繞有效干預和精確診斷這兩方面,針對這三大病的各項研究也在穩步推進。今年國家明確了老年痴呆症和抑鬱症的研究方向,明年將啓動孤獨症的臨牀工作,我們期待這些研究在‘十四五’期間能取得進展。”

  “十四五”期間,我國類腦科學研究將在核心技術研發上取得突破,並實現原始創新的理論和方法的突破。同時國家還將加強類腦智能相關技術的應用和產業化,使其符合不斷髮展的社會需求。

  “類腦研究還能促進計算體系、學習理論、人機交互多個領域的共同發展,為新一代計算變革帶來推力。”明東舉例説,比如用計算手段對大腦神經系統的結構與處理機制進行模擬,有望打破馮·諾伊曼架構的束縛,實現結構逼近大腦、性能遠超大腦、存儲處理一體化、超低能耗、真正超大規模並行的類腦計算機。

  “隨着類腦研究的發展,未來人機交互形態將越來越趨近於腦—機自然交互,人類智能和機器智能將逐漸實現無縫融合,從而達成生物腦與機器腦之間的優勢互補,最終有可能形成人—機共生的終極形態。”明東對類腦科學未來的發展充滿信心。來源:科技日報

 
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