聚焦脑科学发展 | 中国科学院院士程和平十二问
发布时间:2021-09-10浏览量:203

在“剑桥南京论坛2021——脑科学与类脑研究峰会”到来之际,剑桥大学南京中心专访了中国科学院院士、北京大学未来技术学院教授、北大分子医学南京转化研究院院长程和平教授。通过对话,程院士阐释他理解的脑科学与类脑研究。现分享程院士的深刻见解,以飨读者。


---  PART1 程和平院士学术经历 ---


1.       请您简单介绍一下您的学术历程和主要研究领域?


程和平:我最初的专业出身是数学物理,同时在北大辅修生物学第二学位,1987年硕士毕业后,在北大无线电电子学系做了两年助教,主要辅导数字电路教学,1990年赴美马里兰大学攻读生理学和生物物理学博士,于2006年在美国国立卫生研究院(NIH)任职资深研究员;与此同时,自1998年起,开启往返中美两国之间的工作模式,2005年参与创建北京大学分子医学研究所。

我的研究领域集中于细胞生物学、生物物理学。总体说来,我从事钙火花的研究工作近30年,从事线粒体炫的研究工作近20年,从事成像仪器的研究工作近10年。目前微型化双光子显微镜研发是团队的重要课题。



2.      请问什么样的契机让您开始了生命科学世界的探索?


程和平:受业于北大时期,我是一个不同方向导师交叉培养的“实验品”,先后学习了物理学和生物学后,深感实验技术培养的重要性,又遂至无线电系深造。大学三年级时,《生理学》这门入门课真正唤起了我对生命科学学科的探索兴趣。这门课所蕴藏的逻辑思维和数理思维,与我的背景非常契合,让我感受到生命科学学科的亲切感与趣味性,由此我的学术旨趣转向了该领域,并将其确定为终身的研究方向。


--- PART2 程和平院士谈脑科学研究 ---


3.      近年来,世界脑科学和类脑研究取得了哪些进展?又有哪些亟待攻克的关键科学问题和挑战?


程和平:从我个人的体会而言,脑科学研究可以概括为四个字——“读”、“释”、“写”、“仿”,目前都在进展中。

读,脑是宇宙间最复杂的区域化网络,有几百亿个神经元和千倍的连接,处于动态而非静止中,其活动也不是随机的,是具备意义的。如何读取它的结构,并且获取它的功能图像,是一个研究方向;

释,对于获得的脑结构成像和功能数据,如何从不同层次理解脑的组织原理、工作原理,从最小的细胞,到一个控制抑郁的神经环路,再到整个脑,它是怎么工作的?当出现抑郁情绪时,对应的神经环路存在什么问题?这些都有待探究。

写,在释的基础上,通过物理或药理或二者结合的手段,对大脑的异常状态进行调控、或增强脑功能;

仿,主要是类脑研究,自然脑是自然界创造的最大奇迹,正如恩格斯说过,“思维是地球上最美丽的花朵”。如何将脑的原理运用到人造的智能系统上去?目前深度学习的神经网络,也仅仅运用到脑的个别原理而已,很多原理我们自然脑在日常使用,但人工智能尚未触及。


4.      脑科学与类脑研究是一门怎样的交叉学科?作为多学科交叉领域,它有哪些发展方向和应用场景?


程和平:脑科学是科学研究的前沿、“皇冠上的明珠”。它超越生命科学,将人文、社会、计算、信息、心理等诸多学科紧密交织在一起。正在进展的脑科学研究中,我认为主要涉及四个方面:

第一部分涉及到光电子、物理、机械及生物工程技术。作为研究工具,涵盖利用电、磁、超声等技术所实现的深度脑刺激、干预、成像及调节等领域,其中光学、磁共振、脑切片等脑成像研究占据重要位置,结构成像之后,功能成像研究其实更重要,我正在主持微型双光子荧光显微镜就属于脑功能成像研究;

第二个部分是数学方法与信息技术的结合,运用数学工具对海量数据进行编码解码,从中提取出意义;

第三部分涉及临床医学、神经科学和认知科学。包括全脑模型的构造,脑作为整体是如何思维、如何感知刺激与环境;

第四部分可以扩展到人文科学。我们的文化如何形成,语言如何演变,本质都与脑相关。



5.      相较传统脑成像技术,您所主持的“多模态跨尺度生物医学成像设施”项目有何优势?


程和平: “多模态跨尺度生物医学成像设施”项目位于北京怀柔,它是一个通用平台,综合了几十种成像模态。作为首席科学家,我正在主持该国家级成像平台的建设工作。成立这样的大型综合性平台,好处是很明显的。

一方面,脑是比宇宙还复杂的结构,且是动态的具备功能的信息处理结构。研究这种集成在不到一升体积里的复杂结构,任何一个工具都不能包打天下,我们需要开发不同工具,包括仿真模拟的、集成的,从微观、介观、宏观不同层面,用光电磁核多种手段,全面综合地描绘我们的“脑宇宙”,任何单一手段和尺度的描绘都是局限的;

不仅如此,我们不止要“读”取脑的数据,不同尺度层次的数据间存在关联,还要通过传统数学、类脑、人工智能等技术,将获取的不同尺度的数据进行融合。为此,我们还设计了相应地大型智能数据分析处理平台。

我们希望通过“成像组学”的方法,揭示多个尺度的规律和规律间的关联,这正是该平台的优势所在,也特别适合进行脑科学研究。期待更多的科学家参与建设,解决人类脑科学最关心的问题。


6.      对未来五至十年的脑科学发展,您有什么样的展望与见解?


程和平:我认为上一个世纪是“神经科学的世纪”,相较于神经科学偏重研究分子层面和细胞内的过程,当前脑科学研究转向从细胞到整体的层面,围绕从细胞上升到神经环路再到网络的整体概念。随着信息技术、物理技术、计算能力,特别是脑磁图、脑电图等成像技术的发展,使得原先不得其门而入的脑科学研究变得可以开展起来,在脑科学爆炸式发展的进程中,我们现在只看到了开头。我相信这个进程会持续未来十年、二十年、乃至五十年,也许我们正在经历的21世纪会被命名为“脑科学的世纪”。

如果在五到十年的时间尺度下展望,我觉得一方面需要继续打磨研究工具,脑和宇宙存在着非常有趣的比拟,目前天文学已有成套的观测工具,脑科学同样需要打造观测、成像等获取脑信息的工具;一方面还要增加对脑的理解,打造解析工具,特别是关于脑的数学理论和计算方法,虽然现有技术可以观测千个万个神经元的同时活动,但理解这些神经网络同时活动的数学理论尚需加强,需要这一代及下一代科学家继续推动。

特别有意思的是,我们通过对脑的研究发明的类脑智能,也会反过来帮助我们解析我们自己的大脑。因此我认为未来五到十年内,通过类脑研究促进脑的研究也能看到一些机会,新的工具会涌现,比如大网络水平的脑分析工具等。这也是我要追寻的研究点。


7.       将时间尺度放宽到未来三十年,您对脑科学发展有什么样的展望?


程和平:到了2050年左右,第一,我相信会拥有能非常精准地无损伤地描绘脑状态的技术,可以对脑运转实现“读”与“写”的闭环调控。这个闭环意义重大,比如可以通过药物辅助和类脑技术(甚至无需药物)进行抑郁状态的识别和调控,届时有望从根本上解决抑郁问题。

第二,在三十年的尺度上,脑科学发展有望理解我们的思想、观念、意识。届时,失语症、脑中风等失能病人就能够更好地与世界进行交流,瘫痪、肢体损伤的患者,也可以通过类脑调节外骨骼技术实现健康快乐的正常生活。脑与类脑的连接能否产生其他的新型智能,让我们拭目以待吧。



--- PART3 把握时代机遇,推动中国脑科学研究建设---


8.      世界先进的国家地区都开展“脑计划”,相对于美国、欧盟等国家地区的脑计划,中国的脑计划有什么独特性?


程和平:美国脑计划集中在创造工具,进行“读”的工作;欧洲脑计划集中在类脑智能,进行“仿”的工作。中国脑计划采取的方案,是努力在各项工作中取得平衡发展,不偏不倚是它的特色。概括起来,中国脑计划的布局是“一体两翼”,所谓“一体”是指认识脑工作的原理,所谓“两翼”是指重大脑疾病的治疗研究和脑与类脑智能的融合。

在具体研究路径上,中国脑计划强调以灵长类动物脑作为理解人脑与低等动物脑之间的桥梁;由中科院蒲慕明院士推动的“全脑介观神经联接图谱”研究也很有特色,他在细胞及以下水平关注突触和分子层面的微观电镜图谱,和用核磁共振建立脑功能连接的宏观图谱之间,构造了神经环路水平的、更精准的、兼具结构和功能两种成像的介观光学显微镜图谱,并由此延展出相应的结构和功能解析技术,这种策略适合当前发展阶段。


9.      目前北京、上海已建立了两个脑科学和类脑研究中心,您认为在发展脑科学和类脑研究方面,南京具备什么优势和机会点?


程和平:南京市政府对待脑科学和类脑研究的布局是非常智慧的,特别强调打造脑与类脑研究的产业,注重将基础研究与应用场景、医学需求、服务社会结合起来,将其转化成为产业、行业。特别是旨在“再造一个新主城”的南京江北新区,正在布局“基因之城”与“芯片之城”,而脑科学与类脑研究正好处于这两者的结合点与连接点上,可以融合于“芯片之城”与“基因之城”的产业矩阵,同时江北新区拥有活跃的资本要素和持续的高端人才吸引力,新区的前景被广泛看好,将进一步助推该领域发展。南京发展脑科学和类脑研究的机会点或许不在基础研究方面,我认为南京在应用与产业布局方面是非常有眼光和格局的。


10.      您主持建设的南京脑观象台,在江北新区主要进行哪些工作?


程和平:相较于北京怀柔的国家级平台强调通用需求,我在江北新区牵头的“南京脑观象台”,侧重于脑科学、专攻脑成像。我希望能够通过这个平台,促进相应领域和产业的发展。

南京脑观象台的任务是在介观尺度下研究脑的功能和结构,更加侧重于功能描绘,集成了微型化双光子荧光显微镜(FHIRM-TPM)、超灵敏结构光超分辨显微镜及新型高速三维扫描荧光成像系统(VISoR)等先进装备。

其中,微型双光子荧光显微镜可以监测脑在自然运转状态下神经元网络的动态活动,观测神经元间的“时空关联”和行为的关系;超分辨显微镜能在超高时空分辨率下,对分子、突触等微观层面的结构进行长时程地精细追踪,监测结构在行为活动之后产生的变化,如可塑性、迁移等;在微型双光子荧光显微镜观测基础上,脑观象台还引进了中科大毕国强教授的VISoRs技术,对大脑进行透明化,将小范围的活动神经元进行标记,进一步揭示它们在整个脑上是如何投射的,从而建立起结构和功能、局部和宏观的联系。

南京脑观象台的使命是为全国乃至全世界的脑科学家提供观测能力,为中国脑计划的介观图谱绘制提供工具,让研究人员都能用得到最先进的技术和数据分析工具,促进脑科学与类脑研究领域的发展。通过这个平台,有需求的实验室和年轻的科学家无需再购买成套设备或申请科研资金,可以带着研究问题和课题来与我们的团队交流,通过专业化流水线的运作、技术工厂式的训练,让高通量的设备和数据分析工具可获得、可负担,从而降低研究准入门槛,压缩科学问题研究周期,加速想法转化为发现的过程。这是我的梦想,江北新区正在帮助我实现这个梦想。


11.      从您的科研实践经历来看,您认为应当怎样构建科技创新和应用转化间的良性关系?


程和平:用我的个人经历来说,中国要做原创科学,必须要有自己的仪器。在国家开展“重大科研仪器设备研制专项”的背景下,由我带领北大跨学科团队研制了微型双光子荧光显微镜,而只有通过原型机转化为产品的方式,才能让更多科学家、实验室使用到高端技术,但这是在实验室无法完成的。在校方、政府政策、资本等要素多方助力下,以及青年工作者的创业热情下,团队成立了创新公司推动这一成像装备工业化、产品化,初步获得了市场认可,计划逐步推广应用到妇产科、皮肤科、病理检验科等临床医学场景中。

其中,对于前期投入较高的科技创新,政府的支持非常重要,南京脑观象台正是在江北新区支持下,将尚未定型的产品进行alpha测试和beta测试,打造服务科学和产品迭代并举的示范区,目前产品经过长期测试,坚定了团队成果转化、服务更多科学家的信心。


      12. 围绕推动脑科学和类脑研究,作为集聚国际国内学术科研资源的开放合作平台,您认为剑桥南京中心能从中起到发挥哪些效用、承担什么角色?


程和平:我认为剑桥南京中心是非常有益的尝试,一方面,剑桥大学高瞻远瞩,看准了江北新区“未来新主城”的发展,把剑桥中心落在这里,江北新区已经具备产业布局、资本、人才、政策等发展脑科学的条件;一方面,我本人非常仰慕剑桥大学悠久的学术传统和深厚的理论思维,这些特质会影响到南京中心、南京中心的周围、南京中心的合作伙伴(包括我在内)。围绕脑科学和类脑研究我和中心此前有过交流,我认为剑桥南京中心在临床疾病、发育研究、工具制造方面条件很好,学科门类齐全,同时中心已和北大、南大等多所国内高校建立合作关系,非常期待剑桥中心在江北、在南京、在中国结出硕果。

具体来说,希望能够和中心抓住共同发展机遇,一道发起国际的、双边或多边的大科学工程项目,以攻克理论和应用问题。在这个过程中,南京脑观象台和北大等中心的高校合作伙伴都可以加入,在脑科学领域携手做出具有引领性、时代感的工作。