中国要成功建立一流的计算神经科学

■ 本刊记者 许惠英

中国要成功建立一流的计算神经科学

■ 本刊记者 许惠英

计算神经科学的重要性和潜在的广泛影响已经引起了越来越多学者的关注。在今年3月23-25日北京举行的“神经信息学与计算神经科学的前沿问题”为主题的367次香山科学会议上，来自中科院、浙江大学、上海交通大学等知名研究员与教授纷纷探讨了这个令人激动又期盼的计算神经科学。为什么如此看重这个尚未成熟的学科？它的主要研究方向是哪些？我们怎样抓住这个发展的机会？

一个正在成熟的新领域——计算神经科学

有目共睹的信息科学已渗透到科学的各个领域和社会经济的各个领域，脑作为信息处理的“机器”，已经被科学家广泛注意。耶鲁大学医学院神经生物系教授汪小京说：“无论是简单的知觉、行动，还是复杂的情感、思维、学习、决策，都来自于我们的大脑。大脑是最复杂的生物器官，也是最神秘的‘计算机’。即使今天最快的超级计算机（中国的Nebulae今年排名世界第二），在重要的智能方面也不及人脑。”由于神经生物系统的信息处理功能远远超过现代技术水平，很多信息科学家纷纷把注意力转向脑，希望从脑的机理研究中得到启发，实现信息科学新的突破。了解大脑的生物学原理，包括从遗传基础到神经网络机制，是21世纪最主要的科学挑战之一。这个领域的发展将解开脑的奥秘，而且将会对社会发展的多方面产生深远的影响。所以，神经信息科学已是发达国家相互竞争的科学制高点。我国已经把“脑科学与认知科学”列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》的八大科学前沿之一。”

对脑研究的一些新的成就，会在信息科学中引起重大突破吗？计算机能代替脑吗？脑和计算机究竟有何区别？人工智能是否真能实现？脑真的能与计算机相连吗？伴随着这些问题的提出，计算神经科学（computational neuroscience）运营而生。计算神经科学是神经科学、计算科学和信息科学相互交叉融合、探索脑－智力-计算之间的关系而形成的一门边缘学科（交叉研究领域）。它也是一门跨领域的交叉学科，是把实验神经科学和相关理论研究联系在一起，运用物理、数学以及工程学的概念和分析工具来研究大脑的功能。用数学模型及方法作为工具来细致阐明大脑的计算原理。用数学分析和计算机模拟的方法在不同水平上对神经系统进行模拟和研究：从神经元的真实生物物理模型，它们的动态交互关系以及神经网络的学习，到脑的组织和神经类型计算的量化理论等，从计算角度理解脑，研究非程序的、适应性的、大脑风格的信息处理的本质和能力，探索新型的信息处理机理和途径，从而创造“脑”。它的发展将对智能科学、信息科学、认知科学、神经科学等产生重要影响。

科学家们认为大脑是一个异常复杂的动力学系统，具有多种反馈机制和多层时空结构，它的行为不能仅仅依靠直觉来理解，定量分析和从概念上深入阐明是至关重要的。随着各项新技术，如高密度多电极记录、用大量钙敏感染料的双光子成像技术、脑基因组学、脑连接组学的快速发展，未来数年里实验数据将以空前的速度增加，要能解读这些实验数据，并据此提出和检验各种科学假说，新的计算工具和方法是必不可少的，需要投入人力和物力来研究。

计算神经科学研究的开始，在1988年前后，那时，，Sejnowski、Koch 和Churchland在美国《科学》杂志上发表了计算神经科学领域的“宣言”，至此，它作为一个新学科领域开始形成。可以说，计算神经科学得益于实验神经科学、神经网络理论和人工智能的发展。从一开始，它就吸引了大量来自物理学、认知心理学、数学和计算机等学科的科学家。在过去20年里，这个领域飞速发展，其中一个重要标志是，每年在美国、欧洲和日本等地都举办计算神经科学方面的年会（Cosyne、CNS、NIPS，每一个会、每届均有数百名参会者）和暑期学校。然而，尽管它在迅猛发展，也才不过是小荷刚露尖尖角，刚刚开始，它为中国未来科学的发展提供了一个很好的契机。为此，学者们纷纷呼吁要及时把握这个契机，紧跟国际先进科研水平，投入更多的人力和财力，使中国科学家能在计算神经科学领域有所作为。汪小京在题为“21世纪中国计算神经科学展望”一文中提出：“中国要成功建立一流实验神经科学，尤其是系统、认知神经科学，一定要发展配套的一流计算神经科学。”

计算神经科学的主要研究方向

许多学者提出了计算神经科学的主要研究方向，汪小京在“21世纪中国计算神经科学展望”中提出4个有发展前景的研究方向。

1.高维随机的神经系统

目前，如何用数学方法来描述高维空间中的随机性神经活动过程以及如何处理高维数据的方法甚少。

2.神经化学计算

细胞生物学研究显示在神经元中存在大量的分子活动过程（包括细胞内钙、cAMP、G蛋白、激酶、磷酸酶类等等）。我们知道它们包含了很多信息，也知道它们对长时程的突触可塑性和神经调制等机能非常重要，但是对于它们在神经计算中的作用我们仍缺乏概念性的了解以及综合理论。

3.大尺度神经环路的理论

我国对局部神经网络（例如一个皮层区）的研究较多，而对包括许多部分的大神经组织结构和功能的机制了解甚少。不了解大尺度的神经环路是如何运作的。缺乏一套大尺度神经环路工作的基本理论。

4.认知的神经机制

认知科学和神经生理学之间仍还有较大的鸿沟，但近年来人们已经开始用精确设计的动物实验，单细胞记录和网络模型模拟来研究一些关键的认知行为（如决策、工作记忆和选择性注意）。一个神经生物学与认知科学相综合的新领域正在形成，在这个新领域中，理论方法和建模将起着重要的作用。例如，社会认知学，它致力于了解社会行为及情感的脑神经基础，这个研究将对社会产生大的影响，诸如发展培养儿童认知能力的新方法，改进经济和金融抉择理论，抗老领域里对老年认知功能的修复和增强等等。

抓住机会采取措施

为了促进计算神经科学取得富有成效的研究成果，我国需要建立一个理论和实验科学家合作的机制，确保理论与实验之间的双向交流。

1.建立计算神经科学实验和理论科学家合理组合的队伍

建立合理的研究队伍关系到计算神经科学的质量和方向。在上世纪90年代初刚刚兴起时，美国Sloan基金会在这个领域建立了5个Sloan理论神经生物学研究中心，后来Swart 基金会介入，又建立了几个新的研究中心，目前共有11个Sloan-Swartz研究中心。这些中心是实验和理论科学家的一个合理的组合，很多计算神经科学领域的领军人物大都属于这些中心。多年来，Sloan-Swartz研究中心培训了大量有物理学或其他计算科学领域背景的研究生和博士后，使他们成功地转入计算神经科学领域。我国要在这个领域有所作为也需要建立一支像他们这样的队伍。

2.投入经费支持计算神经科学使之走向成熟

美国在这个领域的发展，得益于Sloan和Swartz基金会的远见卓识和长期支持和重视。近年来,德国神经科学家和物理学家也能专心致力于这个领域的研究，是德国政府慷慨出资的结果。借鉴他们的经验，专家们呼吁，我国应当在经费上给以大力支持，组建研究中心和开展研究工作，加快、加大后续研究梯队的培养，同时给实验科学家学习建模的数学知识及建模方法的机会。

3.用高性能计算设备支撑计算神经科学发展

“从未来的需求看，哺乳动物大脑有千亿个神经元和百兆个突触连接，要模拟它的真实模型，对当今最快的十佩塔浮点（peta-〈1015〉flop）运算量的超级计算机来说仍是一个挑战。这就是为什么在日本的理化所（RIKEN)，大脑建模是他们‘下一代超级计算机研究与开发中心’的一个重要任务。”“所以，建立起供神经系统模拟时需要几千个快速处理器的计算机集群接入到最先进的超级计算机（（high-performance supercomputer）的计算平台，是支撑计算神经科学发展的必要条件。实际上，这种研发也会对超级计算机的发展起到有力的推动作用。新的计算神经科学研究中心在这个方面应该成为领军者，建立起有强劲的计算机集群（computercluster），接入到最先进的超级计算机（high-performance supercomputer）的计算平台。”汪小京说。

国内首套无污染排放的直接制环氧丙烷中试装置成功运行

由天津市科委主持推动的天津市科技创新专项资金支持，天津大沽化工公司与大学合作，建成具有自主知识产权的国内首套以丙烯和过氧化氢为原料直接合成环氧丙烷的年规模1500吨的中试装置，解决了我国现有氯醇法制环氧丙烷带来的废渣、废水问题，实现了无污染排放的绿色生产，为我国制环氧丙烷技术升级提供了技术支撑，达到国际先进水平，打破了发达国家长期以来对我国实施的技术垄断。

环氧丙烷是一种十分重要、用途广泛的有机化工原料和精细化工产品，用于生产环氧树脂、合成甘油、氯醇橡胶、阻燃树脂、纸基涂料等，广泛用于化工、轻工、医药、电子、电镀、交通运输等方面，市场需求十分旺盛。现有生产技术为氯醇法，因盐度高很难处理以及环保问题，制约了生产能力扩大和产业持续发展。

2006年，围绕环氧丙烷制造技术创新，投入天津市科技创新专项资金750万元，支持大沽化工公司与天津科技大学、华东理工大学合作，从丙烯直接氧化制环氧丙烷的反应机理研究出发，历经小试后研制出中试装备并运行成功。目前，项目申请发明专利6项，环氧丙烷纯度达到99.9%以上，形成了具有自主知识产权的新型环氧丙烷催化成套技术，具有工艺路线简单优化、节能环保的特点，实现环氧丙烷的绿色制造和产业可持续发展。目前已开始万吨级工业化装置设计建设，基础工程开始动工建设，其中控制中心完成基本建设。项目成为国内用高新技术改造提升传统产业、节能减排的成功典范。

荷兰开发出新型人工骨移植材料

荷兰特文特大学的研究人员日前开发出一种生物材料，可用于骨移植手术当中，促进骨细胞的再生和受损骨组织的愈合。

目前因意外事故或骨肿瘤等原因导致的大面积骨缺损、骨损伤、骨不连以及整形美容手术中的骨改形或再造，主要有两种治疗方法：一是自体骨移植法，即从患者身体的其他部位（如臀部）切取大小适合的骨头，而后植入到病变骨质缺损的部位；二是骨形成蛋白(bmps)法，即采用一种骨生长刺激药物促使人体生成新的骨细胞，从而达到修复病患部位的目的。

但这两种方法都存在不足。自体骨移植法可供移植的自体骨在数量上非常有限，而且接受这种疗法的患者至少需经历两次手术（取骨和植骨），不但治疗周期长，还存有一定的风险。而人骨形成蛋白不但价格极其昂贵，在体内精确定位上也有一定难度，如果该蛋白扩散到了不恰当的位置，就会使健康的部位出现骨增生现象。

荷兰特文特大学的研究人员称，他们开发的这种生物陶瓷材料由多孔磷酸钙制成，在植入人体后可刺激周围的组织产生新的骨细胞，从而促进病患部位的骨组织愈合。随着时间的推移，当病患部位的骨头完全愈合时，该生物材料会完全分解，被新生成的骨骼代替。研究发现，这种方法能够像自体骨骼移植方法一样有效，并且还能完全避免现有疗法的缺陷。该材料有望于近几年内投入临床应用。

英特尔着手开发用意念控制的计算机

据美国物理学家组织网8月26日报道，英特尔公司正在开发一种意念控制计算机，旨在让计算机能直接由大脑操作，通过意念来移动屏幕上的光标，甚至还能直接从用户思想中读取单词。

英特尔科学家使用核磁共振成像（M R I）扫描仪，测量了大约20000个脑区的活动，目前正在绘制当人们思考特定单词时的大脑活动图像。英特尔的资深研究人员迪安·波玛劳说：“我们将仿照医院所用M R I扫描仪，开发更小的设备戴在头部，当脑区活动图绘制出来以后，计算机就能通过对比相似的大脑活动方式，确定用户所想的是哪个单词。”

研究人员发现，思考不同的单词，会产生不同的大脑活动。比如思考一种食物苹果，会在大脑中与饥饿相连的脑区引起脑电活动，而思考一种与物理有关的单词如铁锹，会在与挖掘相关的运动皮层区引起脑电活动。通过这种方式，计算机就能推断出用户所想单词，并很快缩小范围确定它。

实验人员已经制造出一个模型，能判断出诸如房子、螺丝刀、仓库等单词。随着大脑扫描更加先进，计算机识别思想的能力也将提高。

如果这项计划成功，用户只要想一想不需动手，就能实现网上冲浪、写电子邮件等活动。英特尔实验室主任贾斯汀·拉特纳说，这项技术将使人们不再受键盘和鼠标的限制，意念阅读正是“终极用户界面”，用户也将不再担忧任何隐私外泄。

这种意念计算机对身体健康的用户可能用途不大，但对那些不能操作键盘鼠标的残障人士，将带来更多和他人自由沟通的机会。

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