腦科學打開生命禁區(qū)之窗 或是下代信息技術創(chuàng)新源頭 推動基礎神經(jīng)信息科學研究

大腦，是人的神經(jīng)中樞，稍有損傷就有可能造成生命危險，因此腦部區(qū)域也被稱為“生命禁區(qū)”。而且大腦結構復雜，一些相關的疾病一直困擾著人類。其中包括抑郁癥、自閉癥、神經(jīng)退行性疾病、腦卒中和精神分裂癥等。以前的腦科學與類腦研究，主要方法不出兩類：實驗和理論。近年來增加了第三種手段：計算。加上世界范圍內(nèi)深入開展的國際合作，為科學家研究“生命禁區(qū)”打開了一扇窗。

以復旦大學為例，2015年，學校就成立了類腦智能科學與技術研究院。作為跨學科國際化研究中心的先行者和試驗田，學院以復旦大學雄厚的應用數(shù)學、計算機科學、生物學、信息學、臨床醫(yī)學等多學科綜合優(yōu)勢為基礎，以計算神經(jīng)科學為橋梁，交叉融合、聚力創(chuàng)新，開展大腦機制解析、類腦智能算法、新藥智能研發(fā)、腦疾病智能診療、通用智能等原創(chuàng)性基礎研究和應用研究，構建了全球腦與類腦國際合作網(wǎng)絡。我們的目標，是建設成為具有全球影響力的類腦智能研究與應用融合發(fā)展的前沿科技創(chuàng)新中心，推動我國“智能科學與技術”新興學科發(fā)展，推動我國的腦與類腦智能前沿科學研究。

五大跨學科中心開展腦科學的前沿研究

腦科學和類腦研究很多方向都是跨學科的。為此，復旦大學類腦智能科學與技術學院建立了五大跨學科的研究中心。

認知神經(jīng)科學中心：認知神經(jīng)科學研究中心將從分子、神經(jīng)元到神經(jīng)環(huán)路，在不同尺度下研究人類智能的編碼模式，闡明認知活動的大腦機制。結合認知心理學、神經(jīng)科學、生理心理學、神經(jīng)解剖學、神經(jīng)影像學等多學科理論，進行從感覺、知覺、注意、動機，到?jīng)Q策判斷、學習記憶、情緒情感、思維意識等領域的研究，解析認知過程的不同階段和大腦運作的基本機制。最終利用計算神經(jīng)網(wǎng)絡形態(tài)模型，擬合多模態(tài)大腦數(shù)據(jù)，仿真大腦的部分認知功能，并建立全腦尺度神經(jīng)動力學行為特征與疾病的關系。結合心理分析和神經(jīng)技術的手段對疾病進行挽救和干預，達到從基礎科學到應用科學的轉化。

生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)中心(張江國際腦庫)：依托腦數(shù)據(jù)庫，研究多模態(tài)、多尺度和多中心數(shù)據(jù)算法理論及應用，開展神經(jīng)科學、心理學、醫(yī)學、數(shù)學與計算機科學等多學科前沿交叉研究，在腦疾病、癌癥、心血管疾病等方面推動精準醫(yī)學和個性化醫(yī)療轉化研究，尋找腦疾病在基因、影像和認知功能等方面的有效診斷指標，提升腦重大疾病臨床診斷以及藥物療效評估的準確性和效率;以數(shù)據(jù)為驅動，探索腦疾病致病機制;通過多維度觀測手段，開展定量化人腦研究，揭示人腦的生物基礎。

計算系統(tǒng)生物學中心：基于大數(shù)據(jù)分析與生命科學實驗技術的交叉融合，建設生命科學形態(tài)計算仿真與數(shù)理技術應用的平臺。開展認知、注意、學習與記憶過程的腦科學實驗研究，建立大腦學習記憶過程的大尺度計算模型，揭示大腦信息處理機制，啟發(fā)類腦智能學習新理論、新算法;發(fā)展非線性、系統(tǒng)科學的新理論與新方法，分析和理解大腦等復雜性系統(tǒng)演化的規(guī)律，并應用于現(xiàn)實復雜系統(tǒng)的調(diào)控;發(fā)展新的數(shù)值和理論方法，致力于生物學中的定量化建模與分析，以及數(shù)學和生物學的交叉。

神經(jīng)與智能工程中心：面向重大神經(jīng)與精神疾病的臨床診治需求，發(fā)展神經(jīng)動力學信息感知與處理方法，探索腦信息整合規(guī)律與腦功能重塑機制。將神經(jīng)編碼與智能理論相結合，研發(fā)神經(jīng)感知、神經(jīng)調(diào)控和神經(jīng)計算技術，突破腦-智融合技術，建立片上智能系統(tǒng)，研發(fā)自學習智能人——機融合系統(tǒng)，實現(xiàn)神經(jīng)功能智能調(diào)控與仿生，為保護腦、增強腦、干預腦提供智能設備和創(chuàng)新解決方案。

綜合生物醫(yī)學影像中心(張江國際腦影像中心)：中心于2016年投入建設，由復旦大學與上海市全球科創(chuàng)中心市級重大專項共同投入4億元支持共建，致力于在中國上海打造亞太地區(qū)最大的世界級影像技術實驗平臺。開發(fā)高級成像技術和多模態(tài)腦定量技術，探究腦功能、腦結構、代謝、電生理、電化學等信號，揭示腦信息生成與處理機制，探究生物體在生命周期中腦的發(fā)育與老化過程、以及腦疾病的早篩及預后;建立腦數(shù)據(jù)采集和預處理的標準，拓展腦與類腦科學基礎生物研究，為神經(jīng)科學與臨床診斷提供綜合性的高端研究平臺。

腦科學與類腦智能研究應用廣泛，或是下一代信息技術的創(chuàng)新源頭

從2015年以來，在腦科學與類腦智能研究與應用領域，我院的研究人員在國際知名刊物上發(fā)表了300余篇論文，其中高影響因子多篇，很多研究走向了應用。比如，我們的研究人員開發(fā)了智能算法，尋根腦重大疾病，建立智能神經(jīng)調(diào)控技術，開創(chuàng)治療新途徑;在算法與應用方面，受左右腦啟發(fā)，設計了雙通道跳躍神經(jīng)網(wǎng)絡，圖像分類性能出色，達到國際領先水平;在腦機制解析方面，首次揭示抑郁癥與睡眠問題關系的腦調(diào)控機制，發(fā)現(xiàn)精神疾病風險基因擾亂青少年腦發(fā)育等。

產(chǎn)學研合作也取得了進展，建立了智能機器人聯(lián)合實驗室。2016年12月，我們攜手科大智能公司，共建智能機器人聯(lián)合實驗室。雙方團隊就機器學習、計算機視覺、自然語言處理等多個方面開展了科研項目產(chǎn)業(yè)化工作，實驗室已成為服務機器人技術、影像智能分析系統(tǒng)、智能物流、智能電氣、研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地。

一些產(chǎn)業(yè)化項目取得重要成果。比如，基于深度學習的腦健康智能影像體檢系統(tǒng)。我們結合影像學基礎理論、利用大量影像及診斷數(shù)據(jù)進行深度學習訓練，快速分析核磁掃描影像，精準判檢白質(zhì)病變，微出血、腔梗，腦區(qū)體積變化等腦疾病早期癥候，篩查腦疾病高風險人群，及時警示干預，幫助醫(yī)生快速讀片，提高診斷準確率。

我們開發(fā)了一款影像學指標輔助急性缺血性卒中診療決策的智能軟件。系統(tǒng)按照最新的國際和國內(nèi)的臨床指南規(guī)范自動對CT掃描進行智能分析，2分鐘以內(nèi)就能給出量化結果輔助醫(yī)生進行下一步診療決策。一般情況下，中風急診只能就近就醫(yī)，在醫(yī)療較落后的地區(qū)，即使沒有高水平的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生急診值班，這個系統(tǒng)也能輔助手術醫(yī)生做決策。

腦科學研究的應用十分廣泛。比如我們還建立了電網(wǎng)設備狀態(tài)智能分析系統(tǒng)。我們與國網(wǎng)電力上海公司聯(lián)合開發(fā)，基于變電站機器人巡檢的紅外圖像分析，應用深度學習算法，實現(xiàn)智能電網(wǎng)關鍵設備狀態(tài)的自動評估，設備異常狀態(tài)檢測準確率達到90%以上。

現(xiàn)在，張江國際腦科學與類腦智能國際創(chuàng)新中心也開始發(fā)力。我們將發(fā)展類腦學習理論和方法，構建多模態(tài)腦影像，高性能計算、類腦芯片，機器人智能實現(xiàn)等類腦智能核心試驗平臺，集成可構建腦功能圖譜的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)平臺，推動基礎神經(jīng)信息科學研究、腦重大疾病臨床研究以及技術開發(fā)，為下一代信息技術革新提供全新的智能處理理論、方法、技術與平臺，為推動類腦智能及相關產(chǎn)業(yè)顛覆性變革提供技術創(chuàng)新源頭。