向「最後的疆域」進發

　　作為人類，我們能感知，有思維；能學習，有情緒；能言語，有意識……所有這一切，全是因為我們有一個無與倫比的大腦——它重約3磅（1.36千克），卻如無垠宇宙一般複雜、神秘。　　當航天器早已搏擊長空，潛水器早已漫遊深海，DNA雙螺旋結構已經揭示，人類基因組圖譜已經繪就，我們卻對創造了這些奇蹟的人類大腦知之甚少。因而，在科學界，探索「三磅宇宙」的奧秘，被認為是人類認識自然的「最後的疆域」。　　對此，最早呼籲、推動中國「腦計劃」成立的科學家之一、復旦大學腦科學研究院學術委員會主任楊雄里院士，急切之情溢於言表：「最後的疆域」已成為各科技強國「廝殺的戰場」，中國「腦計劃」宜儘快實質性啟動。　　探索「最後的疆域」，註定是個漫長過程　　解放周末：現代腦科學奠基人之一的西班牙科學家卡赫曾說，「只要大腦的奧秘尚未大白於天下，宇宙將仍是一個謎。」人類大腦僅僅3磅重，卻為何這般讓人難以琢磨？　　楊雄里：在科學界，探索腦的奧秘通常被認為是人類認識自然的「最後的疆域」。科技越發達，人們越見識到了腦的複雜性。　　尤其是當實證科學進入腦研究領域時，人們發現，腦這個系統實在是太複雜了：它由上千億個神經細胞（神經元）組成，而這些細胞又通過百萬億個特殊的連接點——專業術語叫「突觸」——成群地聚集在一起，形成眾多的神經環路或網路，這是腦實施感知、運動控制、學習記憶、情緒等功能的基本單元；而這些神經網路之間，又有著千絲萬縷的聯繫，由此產生意識、認知、思維、推理、歸納等複雜功能（統稱心智）；不僅如此，這些環路的特性、彼此間的聯繫，還隨著腦的發育而不斷發生變化，甚至在腦發育成熟後，還會進一步被各種因素所修飾、調製，即隨著內外環境的變化，乃至神經活動本身的變化而變化，這就是腦的可塑性。　　比如，大腦的海馬區以及許多其他腦區存在著所謂的「長時程增強」現象，即在學習過程中，某些特定神經元之間突觸結構、神經活動均會發生變化，突觸間聯繫的程度會增強。可以說，沒有腦的可塑性，就沒有人類的學習能力、記憶能力，也就沒有了人類的智力。這種可塑性發生在分子、細胞、突觸、網路等多個水平，在不同的腦區又有各自不同的特徵，可謂變化無窮。　　與這樣一個無比龐大、無比複雜、又不斷變化的系統打交道，其艱巨性可想而知。　　解放周末：人類在很多方面高歌猛進，那在腦科學領域進展得怎樣？　　楊雄里：應該說，這個領域的科學家們幹得非常出色，我於1963年開始我的研究生涯，那正是腦科學——更學術的稱謂是神經科學——作為一門統一的、綜合性學科誕生的前夜，因而有幸完整見證了這門學科的迅猛發展和輝煌成就。尤其是近年來，科學家們對腦和神經系統的工作原理及其機制的研究日新月異，新的發現接踵而至，新的成果不斷湧現，新的理論層出不窮。　　解放周末：是什麼造成了近年來的這一次次突破？　　楊雄里：這一方面是因為細胞生物學、分子生物學的大發展，在理論和技術上都為神經科學提供了有力的工具，使我們在最基本的層次，即細胞和分子的層次上，對神經細胞產生神經衝動，對神經細胞間信號傳遞的規律，對神經系統活動的基本原理，以及對神經系統疾病的發病機制的認識，都出現了革命性的變化。　　與此相映照，近年來無創傷腦成像技術、多導程腦電圖記錄術、經顱磁刺激術等技術的出現，使得我們可以對腦實施功能時不同腦區大群神經元的活動及其動態變化進行檢測和分析，這形成了腦科學的另一個重要發展趨勢。這方面的研究回答的是另一類問題，其核心是：不同腦區神經元活動如何協同以實現腦的高級複雜功能；　而在病理條件下，這些活動又發生了何種變化，導致腦功能的紊亂。這是對細胞、分子水平方面的研究的重要補充。　　以上兩方面的研究互相推動、互相促進，刷新了腦科學的面貌，使我們對腦的奧秘的探索向前跨進了一大步。這些令人矚目的進展使腦科學成為自然科學領域中最富有生命力的領域之一，近年來，諾貝爾生理學與醫學獎頻頻授予神經科學家，迄今為止的諾貝爾生理學與醫學獎中，有四分之一的獎項與神經科學相關。從每年北美神經科學大會的參會人數來看，腦科學的從業人員也已經遠遠多於生命科學的任何一個學科。　　解放周末：科幻電影中非常酷炫的「讀心術」、「盜夢」在將來會不會成為現實？或者，人們有一天能否像電腦拷貝文件那樣毫不費力地快速學習？　　楊雄里：不能說一定不可能，但在我看來，在可預見的未來，這些都還只能是科學幻想。　　之所以這麼說，是因為我們對腦（心智）的了解仍然是極膚淺、極有限的，就好像一名探險者剛剛發現了新大陸周圍星星點點散落的島嶼，而廣袤無垠的大地還是一片未開墾的處女地。　　人類的思維變化無窮，游移不定，難以捉摸；而即使十分嚴格地控制環境條件，夢境也難以重複出現。也就是說，雖然心智的產生無疑是神經細胞活動的結果，但當物質運動升華成精神時，會產生許多迥然不同的性質特點，需要運用不同的規律、不同的視角、不同的手段和方法去了解它，而我們至今顯然還缺乏強有力的研究工具去觸及問題的核心。在這種情況下，何言「讀心」、「盜夢」？　　探索「最後的疆域」，註定是個漫長的過程。　　與相關科學的結合，會孕育出新的產業　　解放周末：在這個註定漫長的過程中，人們不懈努力的動力是什麼？　　楊雄里：我們是通過大腦來認識自然、認識世界的，現在又要通過大腦來認識大腦是怎麼工作、怎麼活動的，這是一個重大的挑戰。在很長一段時間裡，人們甚至懷疑人類到底能不能通過自己的大腦來認識大腦本身，但現在看起來，科學家們在這方面做得非常出色，他們對腦和神經系統的了解進展得非常快。探索腦的奧秘源於我們對認識自身的久遠的渴求，而這種探索揭示的神奇現象又成了推動這種探索的原動力。　　比如，腦科學研究的熱點領域之一就是展開對主要腦疾患，如老年性痴呆、帕金森病、精神分裂症、抑鬱症、自閉症、中風等的病因和發病機制的研究，以及在此基礎上研發早期診斷指標和新的治療對策。　　解放周末：腦疾病已成為對人類健康影響最嚴重的疾病之一，一個老年性痴呆症患者，或是一個自閉症兒童，都會拖垮整個家庭。　　楊雄里：而且還帶來了沉重的社會負擔。據2011年世界衛生組織報告，全球腦疾病的社會負擔已佔所有疾病總負擔的19%，超過了心血管疾病的11%和癌症的7%。腦疾病預防和治療的進展，與人類社會的發展息息相關。　　解放周末：從2013年開始，美國、日本、歐盟相繼推出「腦計劃」，腦科學為什麼在這個時間點獲得了如此前所未有的關注？　　楊雄里：除了前面講到的腦科學研究的重要性，另外一個重要因素是，腦科學與信息科學、計算科學及其他工程科學之間的聯繫，正變得越來越緊密，彼此間的互動正變得越來越活躍。　　腦本質上是一個龐大且複雜的信息處理系統，據估計，人腦中每秒完成的動態鏈接高達千萬次量級，可儲存的信息量相當於美國國會圖書館藏書總量所包含信息的50倍。不僅如此，腦科學已在若干組構層次上揭示出大腦信息處理與傳統計算機迥然不同的特點：腦在相當大的程度上是信息平行處理系統，信號同時在幾百萬條通路中被處理，它比傳統的串列計算系統有極大的速度優勢，而且有較高的容錯性、很強的功能持久性；同時，平行系統以分布的形式存儲信息，各部分的檢索、存取都可在極短的時間內完成，這對於生物通常面臨的計算，如認知和識別，都十分有效，能很好地適應不斷變化的複雜的自然和社會環境。　　解放周末：這方面研究的突破，必然會對人工智慧的研髮帶來極大的啟發。　　楊雄里：對。實現人工智慧的路徑有兩條：一是不考慮腦的工作機制，僅從計算科學的角度來設計和考慮；二是借鑒腦處理信息的特點來推進人工智慧的研究，即類腦人工智慧。目前，前者更熱門一些，但後者難度更大，意義也更深遠。　　借鑒腦的處理信息的特點，科學家們有可能研發出新的信息處理系統和新的人工智慧系統。類腦人工智慧的核心在於腦科學、計算科學、信息科學、醫學等學科領域密集的交叉融合，它將有力地推進新的產業革命，甚至改變社會範式。反過來，它也會為腦科學研究提供更有力的方法和手段，乃至提供新的思路。　　因此，類腦人工智慧研究成了各國腦計劃的重要組成部分，它和腦工作原理的基礎研究相互促進，將成為未來科學研究和產業革命新的爆發點和增長點。　　解放周末：也就是說，腦研究在今天已經不僅是個科學命題了，還是個經濟命題、發展命題？　　楊雄里：是的。舉個例子，瑞士研究人員研發了「神經形態晶元」，直接在微晶元上模擬神經元和突觸的生物學屬性，實時處理輸入信息並作出回應。這些晶元具有短時記憶和決策分析機制，能夠實時執行複雜的感覺運動任務。如果將這種「神經形態晶元」與視覺、聽覺等感測性神經形態元件相結合，也許就能製造出可與周圍環境實時交換信息的複雜認知系統，能使失明者、失聰者重獲視聽覺，可能會發展成一個重要產業。　　事實上，類腦人工智慧技術正在快速推廣到互聯網、金融投資與調控、醫療診斷、新葯開發、公共安全等一系列關係到國計民生的重要領域，將引發新一輪產業革命。甚至在國防安全上，腦機介面和人機智能交互等技術開闢了新的軍事前沿領域，「認知戰」、「心理戰」等將形成新的戰略威懾力量。　　總之，腦科學具有多學科協同的大科學和工程性質，它的發展必將深刻影響人類文明社會進步、經濟發展和國家安全。2000年獲諾貝爾生理學與醫學獎的埃里克·坎德爾曾經有過一個精彩的總結，他說：「心智的生物學研究並非只是前景遠大的科學探索，也是重要的人文方面的追求；它架設起自然科學和人文科學間的橋樑。這是一種新的整合。其成果不僅將使我們更好地認識神經、精神疾患，也將加深對我們自身的了解。」　　一定要把中青年科學家放在第一線　　解放周末：美、日、歐盟「腦計劃」的大致情況是怎樣的？　　楊雄里：美國從上世紀90年代開始，就逐步加大腦科學研究的支持力度，老布希當政時期曾宣布20世紀最後十年為「腦的十年」。2013年4月，時任美國總統的奧巴馬向全球公布了美國的「腦計劃」——推進創新神經技術腦研究計劃，擬在10年時間內用30億美元資助美國腦研究，通過繪製大腦工作狀態下的神經細胞及神經網路的活動圖譜，揭示腦的工作原理和腦疾病發生機制，發展人工智慧，推動相關領域和產業的發展。　　日本也曾在2003年啟動「腦科學與教育」計劃，將腦科學研究作為國家教育發展的一項戰略任務，進行面向教育理論和實際的應用研究。美國宣布「腦計劃」後，日本緊隨其後，也宣布了自己的「腦計劃」。　　歐盟在2007年開始的「藍腦計劃」的基礎上，也啟動了「腦計劃」，投入超過10億歐元，資助近80個研究團隊，整合人腦的已有知識和最新發現，通過構建模擬人類大腦活動模型，加深對人腦功能及其異常的認識，並開發新的計算和機器人技術。　　解放周末：美、日、歐盟在2013年的密集動作，促使您迅速組織60多位科學家聯名寫信，呼籲成立中國「腦計劃」？　　楊雄里：應該說，當時科技部、教育部的領導們也已經在醞釀籌建中國「腦計劃」了，我們的聯名信可能起了加速的作用。我們在聯名信中向中央提出了「關於加強我國腦科學研究的建議」，彙報了我國腦科學研究的戰略選擇、實施步驟、研究內容、組織實施和保障措施等內容。聯名信迅速得到有關領導的批示，之後我和其他幾位科學家受科技部委託，於2014年3月22日至23日，在北京主持題為「我國腦科學研究發展戰略研究」的香山特別會議，會上，大家就中國腦科學研究的許多重大問題取得了基本共識，中國「腦計劃」正式破題。　　解放周末：事實上，在中國「腦計劃」之前，我國在腦與認知科學上已經有諸多部署，在很多重大項目中，您都是首席科學家。　　楊雄里：我國在將腦科學列入第一個「973計劃」（國家重點基礎研究發展計劃）之前，腦科學研究便已是國家的「攀登項目」了，我是「七五」、「八五」規劃期間神經科學攀登項目的首席科學家，也是第一個「973計劃」神經科學項目的首席科學家。　　「973計劃」先後啟動了42項腦科學與腦疾病相關的課題，總投入近11.5億元；　國家自然科學基金委啟動了178項重大、重點課題，總投入近3.3億元；中科院啟動的「腦功能聯結圖譜」先導科技專項在10年中也投入了6個億。這些投入雖然沒法與發達國家比，但也極大地帶動了中國腦科學的發展；特別是依託這些項目的實施，鍛煉培養了隊伍，為我們今天實施中國「腦計劃」打下了堅實的基礎。　　解放周末：同時也給我們積累了哪些經驗、教訓？　　楊雄里：與西方發達國家相比，我們的研究團隊通常體量較小、力量分散，研究方向和內容不夠集中，以跟蹤和拓展國外的研究為主，創新和引領性的內容不多，整體研究水平還有相當差距。　　更重要的是缺乏對「大科學研究計劃」的設計、組織與操作經驗，缺乏跨越性思維和整體、長遠性的謀劃，國際影響力和帶動力不強。因此，在設計中國「腦計劃」的時候，我們要注意避免成為國際科技計劃的「原料廠」、「加工地」和「檢測室」，而要從「理解腦」、「保護腦」、「模擬腦」這三方面來推進我國腦科學與教育、醫療衛生以及信息技術等相關領域的融合發展，形成有中國特色的「腦計劃」。　　中國「腦計劃」從最初提出到現在，經多次研討，具體內容不斷調整，但總體框架不脫「理解腦」、「保護腦」、「模擬腦」這三方面。　　解放周末：從2013年到現在，5年快過去了，各國「腦計劃」有何進展？　　楊雄里：美國「腦計劃」進展最快。他們主要聚焦於獲取大腦神經活動的動態圖景，從而理解產生複雜認知行為的機制。整個計劃共分7個方向，包括大腦的細胞分型、神經環路的解析、神經活動的記錄、大腦功能的干預、理論和數據分析工具、人類神經生物學和交叉集成技術等。　　截至今年4月19日，在美國「腦計劃」的框架下，共發表論文341篇：在細胞分型方面，包括人腦神經元在內的單細胞水平的組學研究發展迅速，以視網膜為例，對內層細胞的分型和功能研究也有了突破性進展；　在神經環路的解析方面，果蠅、斑馬魚等動物模型上的全腦功能環路研究成果卓著，而哺乳動物的功能環路解析則更加精確；在神經活動記錄方面，能實現自由活動小鼠中細胞類型特異性的神經元膜電位記錄，植入式內窺鏡鈣成像技術也迅速優化和普及；　在理論和數據分析工具方面，對單細胞基因和轉錄組數據的分析敏感度更高且更準確。　　總體看來，美國「腦計劃」有效支持了一大批前沿探索類課題，大大提升了美國在神經科學方面的科研實力，使美國繼續在神經科學領域領跑全球。　　解放周末：中國「腦計劃」進展如何？北京已成立了腦科學研究的「北京中心」，據說南方中心也在籌建中。　　楊雄里：這幾年來，中國「腦計劃」在各方努力下不斷往前推進：《十三五規劃綱要》已將「腦計劃與類腦研究」列為重大項目，具體實施方案的編寫工作也已告一段落，中國「腦計劃」可以說是呼之欲出了。　　如我之前在短文《為中國「腦計劃」吶喊》中所說，當務之急是建立中國「腦計劃」強有力的領導核心。這個領導集體應該具有把握腦科學發展全局的能力，對中國腦科學研究現狀了如指掌，並具有組織、領導大科學項目的豐富經驗；應該具有海納百川、集思廣益、從善如流的寬廣胸懷，摒除以鄰為壑的門戶之見，以只爭朝夕的精神，做好頂層設計，組織全國相關領域的優秀專家，特別是中青年專家，在民主、和諧的氣氛下，全力推進「腦計劃」的實施。　　過去二三十年，在馮德培、張香桐這些中國神經科學先驅者們的指導下，我從一個中年科學家一步步成長起來，做了一些承前啟後的工作。現在，更年輕的一代成長起來了，我的歷史使命行將完成，應該把歷史舞台讓給中青年科學家。中國「腦計劃」一定要把中青年科學家放在第一線，這對於這項研究的可持續發展將會有深遠的意義。　　人物小傳　　楊雄里　　1941年生，中國科學院院士、神經生物學家、生理學家，中國「腦計劃」籌建者和推動者之一。
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