国际顶尖科研团队信息化应用现状调研之三信息技术促进学科发展与协作

编者按



国际顶尖科研团队信息化应用现状调研之三信息技术促进学科发展与协作

编者按

为深入客观反映国内外信息化发展态势，跟踪世界各发达国家信息化的重大部署及应用，中科院条财局和中科院成都文献情报中心开展了信息化专题情报调研，旨在反映信息化重要专题的现状、发展趋势及关键挑战。本期“国际顶尖科研团队信息化应用现状调研”专题报告将描述美国斯坦福大学医学院、美国西北大学临床与转化医学研究所、德国马普人类认知与脑科学研究所这三个顶尖科研团队的组织架构、研究方向及信息化应用情况等内容。

美国斯坦福大学医学院

美国斯坦福大学是世界著名的高等学府，大学医学院在医疗、科研及教学等领域处于世界的领先地位。它同时也处于美国生物技术和信息技术中心的腹地，对临床及实验室的研究成果应用于医疗起到促进作用。

1.团队简介

（1）研究方向和重大产出

研究方向：斯坦福大学医学院的研究涉及基础科学、临床科学、转化科学和跨学科协作。例如：关注生物化学的基因技术中心、关注化学和系统生物的高通量生物科学中心、与临床医学/跨学科相关的癌症研究所、心血管疾病手术、神经学及手术、转化研究及教育中心、跨学科的儿童健康研究所等。

重大产出：斯坦福大学医学院在心脏内外科、肿瘤、放射诊断及神经科学等。许多学科取得医学成果。它在心脏移植技术和心脏介入技术方面的领导地位已得到世界的公认。斯坦福大学医学院在肿瘤方面的成就包括何杰金氏病的化疗及放疗技术的发展，显著提高患者的治疗效果。病人在斯坦福大学医学院可以得到最先进的抗癌治疗，包括最新的放疗方案、化疗药物、用单克隆抗体和手术治疗各种淋巴瘤的技术等。斯坦福大学医学院对神经疾病的内外科治疗也属领先，其放射诊断技术、核磁共振成像技术也是世界上最先进的。斯坦福大学医学院的许多医生在他们的领域中荣获大奖，包括诺贝尔奖。近20余年，斯坦福大学医学院共产生六名诺贝尔获奖者，名单如表1所示。更多科学突破可参见该学院新闻宣传网页http://med.stanford.edu/news. html及成果展网页http://med.stanford.edu/about/highlights.html。

（2）组织规模与结构

截至2015年4月，斯坦福大学医学院共有1948名全职教职员和3498名学生。在教职员中，有136位开展基础科学研究，另1812名从事临床研究。

斯坦福大学医学院的领导层设有1名主任、1名副主任、9名分管高级副主任等。

2.团队科研信息化应用情况

（1）主要信息化工具

表1　斯坦福大学医学院诺贝尔获奖者

表2　信息安全相关工具

斯坦福大学医学院的信息资源与技术部为研究人员提供个人计算、数据安全、网络及应用程序、基础设施等服务。个人计算方面，具体内容包括：桌面支持、推荐软件、购置计算机、移动设备、公共计算空间、计算机及信息安全、临床应用程序和数据以及无线网络访问等。基础实施与通信方面，具体内容包括：桌面及移动电话、网络会议和视频、信息安全、防火墙、服务器管理、应用程序与数据库管理等。

信息安全方面和数据驱动研究方面的具体工具如表2和表3所示。

表3　数据驱动研究相关工具

斯坦福大学医学院的基因生物信息学服务中心还为研究人员提供数据分析工具，如表4所示。

表4　 基因学数据分析相关的部分工具

（2）信息化数据库

斯坦福大学医学院为研究人员提供如表 5所示的多种数据库。

表5　 斯坦福大学医学院的数据库

（3）重大科技基础大设施

本部分重点介绍斯坦福大学医学院的信息学重大科技基础大设施，具体内容如表6所示。

美国西北大学临床与转化医学研究所

1.团队简介

美国西北大学临床与转化医学研究所（NUCATS）成立于2007年，是美国国立卫生院临床与转化科学基金（CTSA）联盟的一员，并于2008年获得CTSA3000万美元的资助。NUCATS代表着八家西北大学下属机构（包括：范伯格医学院、麦考密克工程和应用科学学院、温伯格文理学院、凯洛格管理学院、法学院、生命过程化学研究所、RobertH.Lurie综合癌症中心和公共卫生与药学研究所）及三家临床机构的联合协作。

（1）研究方向和重大产出

NUCATS旨在为西北生物医学研究者和企业家提供核心支撑，实现西北相关研究朝更快、更好、更节省的方向发展。其战略目标如下所示：

①通过集成过程与项目，使研究人员能获得海量资源、培训、资助与战略伙伴，加速转化医学研究并提升效率；

②开发并部署创新系统以鉴定、评估、促进和传播科学突破，改善临床与转化医学研究的质量、安全和成本效益；

表6　信息学重大科技基础大设施

表7　NUCATS软件

③通过团队建设、教育和培训促进西北大学协作与创新文化的建设，打造适应未来需求的跨学科转化研究团队。

NUCATS主要支撑从基础科学发现到改善病患医护的转化医学研究。其2014年的成果主要体现在管理机制、咨询服务、数据服务等方面。如：2014年新开启会员制度，一年内吸纳会员1250多人；组织咨询活动以帮助大型研究项目利用已有的临床和转化医学基础设施、教育和职业发展资源等；建成“先进生物信息学与生物计算核”，为研究人员提供大数据和计算支持。

NUCATS的合作伙伴均是医学界的知名机构，如“范伯格医学院”曾培养的生物化学博士罗伯特·弗奇戈特于1998年获得过诺贝尔医学奖。

（2）组织规模与结构

2014年，NUCATS启动会员制度，以跟踪研究人员对NUCATS资源和服务的使用，进而更好地为研究人员提供服务。截至2015年初，NUCATS已拥有超过1250名会员。

NUCATS主任每季度向指导委员会提交报告，指导委员会针对机构优先事项及发展方向提供直接指导，帮助解决机构争议，并向存在文化差异的合作伙伴机构提供临床与转化医学研究的统一基础。

Justin Starren担任NUCATS的副所长，同时他还兼任数据科学与信息中心（CDSI）的主任。CDSI组织架构如图1所示。

2.团队科研信息化应用情况

（1）主要信息化工具——软件工具

NUCATS提供多种软件工具（见表7），以帮助科研的计划与实施。NUCATS开发的这些软件作为开源项目进行公开发布，其他研究机构可以通过GitHub、Bioconductor等公开源代码仓储浏览这些软件的源代码。

（2）信息化资源/数据库

医学企业数据仓储（NMEDW）是西北大学校园所有临床与科研数据源的单一、全面、综合的仓储，以推动研究、临床质量、医疗保健和医学教育。科研人员可通过不同的方式使用NMEDW，其中三种基本的方式如下。

集成生物与临床的信息学（i2b2）：一个基于网络的自我服务工具，允许科研人员、学生和员工针对NMEDW中的数据进行简单的查询，从而快速确定开展某项研究的可行性；

NMEDW数据分析家：NMEDW拥有多名数据分析家，以满足科研人员利用NMEDW开展科研的数据需求。每个需求或每12小时收费900美元。

Powerusers:拥有使用先进数据库语言的个人可申请成为Poweruser，从而直接访问NMEDW来开展工作，但必须遵守NMEDW的所有政策和流程。

安全应用综合环境（SAFE）：SAFE提供咨询、开发、托管和支持服务，以解决人类受试者的数据保护问题。比如确保用户的项目满足政府对隐私和安全的标准（如FISMA）、实现高度安全的托管。针对某个科研项目构建一个与FISMA兼容的环境非常复杂，每个项目的开销超过15万美元。

德国马普人类认知与脑科学研究所

1.团队简介

2004年1月，原马普认知神经科学研究所和原马普心理学研究所合并为马普人类认知与脑科学研究所。

图1　NUCATS CDSI的组织架构

（1）研究方向和重大产出

德国马普人类认知与脑科学研究所围绕人类认知能力和大脑过程开展研究，着重于大脑功能（如语言、情感和人类社交行为、音乐、动作等）的神经基础研究。其他研究还包括大脑中的塑性变化及其对感知功能的影响、高血压和肥胖等现代疾病的神经和激素基础，以及进一步开发神经科学成像方法。该研究所目前有三大研究部门，分别为：神经内科、神经心理学和社会神经科学。

2012年8月，马普人类认知与脑科学研究所的Bego a Día z及其同事的研究揭示了阅读障碍的神经学致病因素，使人们进一步了解这种疾病，有助于相应药物的研发。研究显示阅读障碍相关的许多症状都能够追溯到丘脑中内侧膝状体MGB的故障。研究结果为相应治疗药物的研发奠定了重要基础。文章发表在《美国科学院院刊》（PNAS）杂志上。2006年2月，马普人类认知与脑科学的研究人员发现：大脑内存在着两个不同的区域负责处理不同的语言类型。简单句子结构在一个形态学上古老的区域被处理，这在猿猴身上也存在。相对复杂的句子则在一个相对年轻化的区域处理，该区域仅存在于高等进化物种（如人类）脑中。这些基础性研究结论非常重要，并加深了人们对人类语言能力的理解。

（2）组织规模与结构

马普人类认知与脑科学研究所拥有3名主任、3名荣誉主任、9名小组负责人以及300多名职员。研究所设有管理主任、三大研究部门、七个研究小组以及三个方法与开发小组（包括数据库与IT小组）。

Roberto Cozatl博士和Helmut Hayd博士担任小组负责人。该小组除提供强大的IT基础设施外，还为科学家提供现成软件支持服务或开发新的应用程序以满足其项目和科研需求。例如，该小组开发并维护着用于管理实验数据的NoSQL数据库。

2.团队科研信息化应用情况

（1）主要信息化工具

莱比锡图像处理和统计推断算法（Lipsia）：Lipsia是马普人类认知与脑科学研究所自行开发的面向功能性磁共振成像（fMRI）数据分析的软件工具，包含注册和规范化、预处理、探索处理、统计评估、兴趣区域分析、时间过程分析、可视化、各种数据格式转化等fMRI数据处理的软件工具，可实现快速的数据分析，从原始数据到标准参数地图的标准分析流程所需时间不超过10分钟。

CBS高分辨率大脑处理工具：该工具可为分辨率高达400微米的核磁共振图像的皮质分析提供全自动处理流程，包括头骨剥离、全脑分割、皮质提取、轮廓评估等。这款跨平台工具可作为MIPAV软件包的插件，可与多种文件格式兼容。

监控大脑活动的扫描仪等该研究所通过核磁共振扫描仪、脑磁波描记器、经颅磁刺激（TMS）等检测技术来实现对大脑活动的监控。

马普学会eDoc服务器：eDoc服务器为马普学会提供了一种积累研究成果的独特方式，可帮助科学家收集数字格式的科学研究文件、管理数据，实现研究工作的在线开放获取。自2007年起，eDoc服务器由马普数字图书馆（MPDL）负责维护。与此同时，MPDL开发了一款被称为“PubMan”的改进软件库，支持用户建设虚拟科研环境、创建和优化信息管理基础设施、创建和优化信息管理工具等。

eDoc服务器的战略目标包括：实现机构信息的存储和展示：eDoc将保存马普学会各研究机构生产的各种科学信息，为这些信息的长期保存和传播提供一个稳定的平台，并提供对这些成果的即时获取；构建创新的学术交流模式：对于马普学会中那些希望充分利用因特网全部潜力并建立学术交流新模式的科研人员和学者而言，eDoc是实现这些功能的中坚力量；实现开放获取，期刊价格的急剧上涨和出版者对版权的一些限制性政策破坏了对研究成果的广泛传播和持久稳固的访问，eDoc将作为面向研究成果的自归档工具，提供即时和全球访问。

（2）信息化资源——虚拟环境和卫星实验室

虚拟环境实验室创建了一种虚拟世界，为研究社会现象提供了一种强有力的工具，可用于设计实验范式，以通过物理世界中难以甚至不可能实现的方式来控制社会认同和行为等。研究人员可结合虚拟环境技术和神经成像技术来研究社会和情感神经科学。卫星实验室通过多台互联计算机来提供运算服务。

（本文由中国科学院成都文献情报中心供稿）