中国脑科学研究怎么做?蒲慕明院士:有差距,我们要有探险家

来源:澎湃新闻 2021-06-05 17:23 责编: 原文链接:点击获取

“我们到医院做检查,全身都检查了,大脑从来不检查。”在近日举行的浦江创新论坛全体大会上,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如是表示。

这句话的背后,是人类对自己大脑的所知甚少。大脑的复杂性让人类拥有了智慧,探究大脑却成为了全世界科学家努力抵达的“终极疆域”。就在近日,哈佛大学的Jeff W. Lichtman实验室和谷歌团队在预印本平台bioRxiv上联合发布了“H01”人脑成像数据集,这也是首个大规模研究人类大脑皮层的突触连接的项目。

但这一样本仍然只是整个人类大脑容量的百万分之一。蒲慕明对澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示,“他们做的是电镜图谱,是非常微细的图谱数据,我们现在在做的是介观图谱,就是在光学显微镜下得到的图谱。”而无论哪个团队的研究,这些都是刚开始,“全世界都刚开始,获得完整的图谱还有段时间,小鼠的图谱至少还要5年时间,全世界都没有达到完整的图谱。”

蒲慕明认为,要成为真正的科技强国,中国的科学家必须要站到世界科技的前沿问题上、重大问题上,做科学领域的“探险家”。探险家是全世界科学研究的导游,“现在的导游基本都是国外的,我们跟着他的方向进一步发展,在很多领域我们都是游客,当然有些领域我们做得很好。”

蒲慕明希望,未来中国能够出现一批年轻的探险家,在各自的科研领域里成为全世界的导游。

蒲慕明于1948年10月31日出生在江苏省南京市,籍贯广东省梅州市。1970年毕业于中国台湾清华大学物理学系,1974年获美国约翰·霍普金斯大学博士学位。1999年,中科院神经科学研究所创立,蒲慕明系主导者,并担任第一任所长。

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。

脑科学研究什么?

人脑有着上千亿个神经元细胞,彼此之间联结形成世界上最复杂的网络,我们所有的认知、情绪、决策等都有赖于这一网络,智能因此而来。面对“黑洞”般的人脑,科学家从何开始?

蒲慕明在演讲中提到,脑科学研究的目标很清楚,就是要阐明脑功能的神经基础和工作原理,理解大脑是如何工作的。同时,也希望从大脑的研究当中得到一些启发,能够模拟大脑,得到更高的智能人工器件,包括智能机器人。而另一方面,科学家们也希望从研究大脑中知道大脑的正常状态,以及为什么生病,从而保护脑、诊断治疗脑疾病和创伤。

对应于中国酝酿多年的脑科学计划,这些工作就是“一体两翼”的基本机构。简单来说,“一体”就是指研究脑认知功能的神经基础,其中包括脑研究创新技术平台、认知功能神经环路研究、脑智发育研究;“两翼”则分别为脑疾病诊治和脑机智能技术,脑疾病诊治中包括认知相关重大脑疾病早期诊断与干预、临床和社区队列数据和样本库,脑机智能技术则包括脑机接口与脑调控技术和类脑计算系统、类脑器件和智能体。

对于脑认知功能的神经基础,蒲慕明表示,大家都知道有很多基本的认知功能,包括对外界信息的感知、各种情绪情感、注意外界的世界、作出抉择等,“这些功能的工作原理是我们想知道的,大脑环路是怎么回事?”在此之上,还有更高级功能的解密,“人类演化到了灵长类的时候有很多新的智能出现,包括共情心、亲社会行为、意识、语言等等。”

“我们还希望知道认知功能的发育过程,小孩子刚出生的时候为什么智能会出现,大脑成长过程怎么回事?也希望从中得到一些灵感,对构建器件、人工网络有一些启发。”蒲慕明提到,在这一层面,还需要探究环境、遗传因素等对认知功能的影响。

探究所有这些因果关系、全景式理解这些未知,我们首先需要一张大脑“地图”,“这就是神经联接图谱。”在科学家绘制这张图谱的过程中,空间分辨率从毫米到微米,再进一步精细到纳米级别,分别称为宏观图谱(核磁共振成像)、介观图谱(光学显微镜)和微观图谱(电子显微镜成像)。

蒲慕明提到,介观层面一旦清楚我们就可以理解很多环路的工作原理,而目前中国在介观图谱层面处于世界领先。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人此前创建了具有亚微米体素分辨率的全脑显微光学切片断层成像(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。

蒲慕明提到,利用这一技术,我们三维重构了52个小鼠皮层神经元的轴突全脑投射图谱。“重建整个小鼠的图谱,未来5年可以完成,15年左右时间我们要把猕猴灵长类图谱绘制清楚。”复杂程度不可想象的,“需要数理科学家、信息科学家等共同工作。”

脑健康普查:中国标准为世界脑健康做贡献

在前述的“两翼”中,有一翼面向脑疾病诊治。蒲慕明表示,根据世界卫生组织(WHO)的统计,包括各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病,是所有疾病里社会负担最大的,超过了心血管疾病和癌症。同时,在老龄化社会到来之际,神经退行性等疾病日益突出。

“我们的社会面临很大的负担,更严重的是我们在治疗脑疾病方面没有很有效的药。”当然,不光在中国,全世界都是如此,幼年期自闭症障碍、成年期抑郁症、老年期退行性疾病等各种重大脑疾病,科学界提出了一些理论,但均没有解决之道。

“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,有早期诊断。”基于这种思路,中科院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所在2016年启动脑功能检查工具集研发项目,最终形成一个具有15项脑功能定量检测的工具集,“玩一些游戏,做一些脑电记录、眼动记录,都是客观的。一个半小时给你一个数值,我就知道你的长期记忆、短期记忆怎么样。”

蒲慕明在演讲中介绍道,去年,这一工具集在上海各医院和精神卫生中心试用。他希望,到2025年可以实现如下目标:建立各项脑功能指标随年龄的正常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、为脑疾病早期预防和诊断提出指导性建议和方案、为各种异常功能提供特异性的早期干预方案和手段。

“这在全世界都是没有的,国际上的诊断都是问卷,问你记不记得今天早上吃了什么东西,记不记得你父母的名字,这些都是主观成分很大的。”蒲慕明进一步希望,到2050年,这个方法能够推广到全国、全世界,“有一个中国标准对世界脑健康做出贡献。”

当然,这一脑健康普查之路刚刚起步。蒲慕明对澎湃新闻(www.thepaper.cn)同样提到,目前工具集为1.0版本,“不断在改,改得使用起来更加友好、更好玩。”而在目前的开展过程中,遇到的问题则主要是病人或者健康人愿不愿意做,“需要做一个半小时,还是效率的问题,要更有效。”

脑机接口:我们愿景更大,花很多功夫去做闭环

蒲慕明在演讲的最后一部分则重点阐述了前述“两翼”中的另一翼,即脑机智能技术。其中特别谈到了当下科学界最为热门、公众也格外关注的脑机接口(BCI),“大家看到马斯克不断展示他新的脑机接口,我们国内是什么情况?”

他指出,所谓的脑机接口技术,即指在脑与外部设备之间建立通讯和控制通道,用脑的生物电信号操控外部设备,并反馈调控脑的活动,通过脑-机-环境-脑的反馈式交互,实现“脑控”与“控脑”。

蒲慕明表示,马斯克现在做的就是“脑控”,即用植入电极获得大脑电信息来控制外界的器件。比如,猴子玩游戏的时候,大脑会出现特殊的脑波,这个脑波就用来操纵机器做游戏。“这方面有医疗的用途,比如瘫痪的人可以操控假肢。”另一个则是“控脑”,即外界器件产生电信息、磁信息等来控制大脑活动。

蒲慕明认为,最理想的是一个闭环,大脑控制外面的器件,器件和外界环节有交互作用,得到反馈回去改变大脑输出的信息。“这是我们的目标,这是做脑机接口的最终目标,现在都做不到,马斯克做了‘脑控’部分,我们是希望做到一个闭环式的脑机接口。”

蒲慕明同时指出,脑机接口领域往前走仍存在着很大的障碍,一些重大的科学问题需要解决。第一大问题就是如何解码大脑信息?他认为,现有的收集脑波信息、在用人工智能算法和机器学习算法把大脑的脑波所代表的信息解码,“这是表面上的解码,并不是真正理解大脑活动。”

蒲慕明进一步对澎湃新闻记者解释道,现在主要是靠大数据,且数据还不够精确,“不知道它什么意思,要去对应。”他认为未来脑电应该更精细,数据也更多,“但是假如你知道环路是什么样的,那就更好了。你知道这个环路代表的是这个指头动,那个环路代表那个指头动,你在上面记录到了,你就知道得很清楚,现在还没有这个能力。”

脑机接口面临的第二大问题则是如何调控大脑状态?“需要刺激什么位置,这就更困难了,如果不知道网络结构,刺激到底能够产生什么功能,我们等于完全是盲目地做刺激。”

蒲慕明在演讲中介绍,中国的团队目前已经实现了将柔性电极阵列植入清醒猕猴,“猴子在完全清醒的情况下同时记录上千个通道,能够看到单一神经元的放电,我们得到的信息量已经很多了,从这里面解码,知道它是做什么。”

“现在经过我们理解它信息带有的含义,猴子已经可以开始玩游戏了。”蒲慕明提到,“这个技术在国内的发展和美国的差距是5-10年,现在上海市有一个项目的支持,我相信5年之内我们可以和马斯克的技术并驾齐驱。”在他看来,马斯克的脑机接口公司在微小化、无线传输和系统集成化方面做得更好。

他同时对澎湃新闻记者强调,其目标并不仅限于追赶马斯克的技术,“方向不一样,我们的愿景更大,要花很多功夫做闭环的脑机接口。”

谈及庞大的脑计划所需要的人才支撑,蒲慕明表示,近年来很多的青年科学家海外留学归来,“年轻人很多,还是很有希望的。”

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