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中國腦健康日關(guān)注“頭”等大事，中國腦科技的未來是什么？

過去200年，腦科學(xué)的進(jìn)展
大腦是人體最重要的器官，也可能是宇宙間最復(fù)雜的物體——結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能復(fù)雜，比最大的超級計算機(jī)不知道還要復(fù)雜多少倍。這個復(fù)雜的物體是怎么出現(xiàn)的呢？它是生物演化過程中的一個奇跡。
大腦外面有皺褶的這層叫大腦皮層，是所有重要的腦功能的關(guān)鍵區(qū)域。理解大腦，不僅要知道大腦皮層的結(jié)構(gòu)和功能，還要知道大腦皮層里那些復(fù)雜的核團(tuán)的功能。為理解這些問題，科學(xué)家至少花了200年時間。

在過去200年里，腦科學(xué)到底有哪些進(jìn)展？
現(xiàn)在，我們對大腦的了解，比如大腦如何處理信息、神經(jīng)細(xì)胞怎樣編碼和傳導(dǎo)信息、信息如何從一個神經(jīng)元交互到另一個神經(jīng)元……這些傳導(dǎo)機(jī)制都理解得比較清楚；對不同的神經(jīng)元做什么，在各種功能中會產(chǎn)生什么反應(yīng)，也很清楚。
在過去的一個世紀(jì)里，諾貝爾獎涉及的神經(jīng)科學(xué)中的重要發(fā)現(xiàn)都跟大腦的信息編碼、儲存相關(guān)。
但是，我們只對神經(jīng)細(xì)胞如何處理信息了解得很清楚，對整個大腦復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)了解不多。
到底是什么原理使得神經(jīng)細(xì)胞在某種情況下發(fā)生某些反應(yīng)，我們并不是很清楚；對大腦中的信息處理不太了解，對各種感知覺、情緒，還有一些高等認(rèn)知功能——思維、抉擇甚至意識等，理解得比較粗淺。
雖說腦科學(xué)已有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但是未知的比已知的要多得多。我常常打一個比方，腦科學(xué)現(xiàn)在的處境，相當(dāng)于物理學(xué)和化學(xué)在20世紀(jì)初期的處境，有很多事情已經(jīng)搞清楚，但是重大的理解和突破還沒有出現(xiàn)。
所以現(xiàn)在的腦科學(xué)是生物科學(xué)里比較神秘的領(lǐng)域，從這點(diǎn)來說，腦科學(xué)將成為未來生命科學(xué)發(fā)展中很重要的一個領(lǐng)域。在座的年輕人將來想鉆研科學(xué)的話，腦科學(xué)就是前沿科學(xué)，不但在這個世紀(jì)，甚至下個世紀(jì)依舊是前沿科學(xué)。
目前最關(guān)鍵的問題？
腦科學(xué)中最關(guān)鍵的問題，是我們對腦的各種功能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理知道得非常粗略。
我們知道大腦不同皮層的部位有不同的功能。比如說，大腦后方是管視覺的，最前方的上方有管運(yùn)動的、管感覺的、管嗅覺的，前面還有管語言的區(qū)域。假如大腦出現(xiàn)損傷，比如腦卒中（俗稱中風(fēng)）以后，受損區(qū)域?qū)?yīng)的功能會喪失。 目前，我們只是大致理解腦區(qū)和功能的關(guān)系，但更多的細(xì)節(jié)就不清楚了。
舉個例子，現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的腦成像技術(shù)，即正電子發(fā)射圖譜、掃描圖譜的技術(shù)叫“PET”，大醫(yī)院里都有。PET有什么好處？它可以告訴人們,大腦里哪些區(qū)域有電活動，如果有電活動就表明該區(qū)域有功能正在進(jìn)行。如果電活動異常，表明該功能出現(xiàn)異常。
比如我們對大腦功能正常的人進(jìn)行測試，讓被試者在機(jī)器里躺著，給他看幾個字，你會發(fā)現(xiàn)其大腦后方有電活動，表現(xiàn)為葡萄糖使用量的增加。被試者體內(nèi)的葡萄糖帶有放射性，是被單獨(dú)注射到血液中的。研究人員據(jù)此可以很快知道被試者的大腦有活動。
給被試者聽幾個字，其聽覺區(qū)就有電活動。我們現(xiàn)在對此可以做到實(shí)時觀測。叫被試者說幾個字，大腦左側(cè)的語言區(qū)就有反應(yīng)。
但是讓被試者閉上眼睛不說不講不聽，回想剛才看到的幾個字是什么意思，其大腦里到處都有電活動。這個奇怪的現(xiàn)象說明思考是一件非常復(fù)雜的事情，它牽涉到大腦里的很多區(qū)域。
為什么只是想幾個字的意義，大腦網(wǎng)絡(luò)就全部開始活動？要理解這點(diǎn)，目前還相當(dāng)困難，需要知道大腦全部的未知奧秘。 《Science》雜志在慶祝創(chuàng)刊125周年時，邀請全球幾百位科學(xué)家列出他們認(rèn)為當(dāng)今世界最重要的前沿科學(xué)問題，最后歸納為125個，其中有18個問題屬于腦科學(xué)。
排在最前面的，包括意識的生物學(xué)基礎(chǔ)、記憶的儲存與恢復(fù)、人類的合作行為、成癮的生物學(xué)基礎(chǔ)、精神分裂癥的原因、引發(fā)孤獨(dú)癥或者叫自閉癥的原因，這都是大家關(guān)心且未被解決的重大問題。盡管該問卷是10年前做的，但我們現(xiàn)在公認(rèn)的重大腦科學(xué)問題依舊未變。 要理解這些問題，就要知道大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像電線（纜）一樣復(fù)雜，人腦中，上千億的細(xì)胞連在一起，送出很多導(dǎo)線——我們叫軸突，跟其他細(xì)胞做聯(lián)接，最終形成了這一網(wǎng)絡(luò)。
大腦網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，神經(jīng)元數(shù)目眾多。大腦有1000億個神經(jīng)元，而且每個神經(jīng)元的放電模式不同，編碼模式不同，信息處理方式也不一樣。所以，要理解這個復(fù)雜的系統(tǒng)如何工作，會是一個很大的挑戰(zhàn)。 我們可以從三個層面更好地理解這個網(wǎng)絡(luò)。
剛才所說的PET Imaging或是MRI Imaging等功能成像手段，提供給人們的是一個分辨度在厘米或毫米階層的宏觀視野。在這個范圍內(nèi)，大致可以看到神經(jīng)束在腦區(qū)之間的走向。
每個神經(jīng)束都由成千上萬的神經(jīng)細(xì)胞纖維構(gòu)成。要進(jìn)一步知道細(xì)節(jié)，必須在介觀（介于微觀和宏觀之間的狀態(tài)）層面對神經(jīng)環(huán)路進(jìn)行研究，了解每一個神經(jīng)細(xì)胞如何跟其他不同種類的神經(jīng)細(xì)胞進(jìn)行聯(lián)接，并輸送信息，在各種功能時有什么活動。
還可以在電子顯微鏡下對細(xì)胞進(jìn)行觀察，從微米到納米層面，這樣的微觀尺度會讓人看得更精細(xì)。 目前，神經(jīng)科學(xué)最關(guān)鍵的一點(diǎn)，就是從已知的宏觀層面進(jìn)入介觀層面，進(jìn)而理解大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成與功能。
舉例來說，我們把小鼠的52個皮層的神經(jīng)細(xì)胞用熒光標(biāo)記后切片，重構(gòu)其三維結(jié)構(gòu)，其中每一種顏色代表一個神經(jīng)細(xì)胞。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大腦的復(fù)雜性難以想象。這還僅僅是52個細(xì)胞，人腦有上千億細(xì)胞，真正要分析起來，困難該有多大！即便是這52個細(xì)胞，也還有不同的種類，它們在大腦中分布的規(guī)則也不一樣。
這是目前神經(jīng)科學(xué)面臨的一個重大挑戰(zhàn)。所以，未來腦科學(xué)的第一個關(guān)鍵點(diǎn)就是在介觀層面上弄清大腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即圖譜結(jié)構(gòu)。
大腦的信息傳導(dǎo)靠的是電，電活動像電波一樣在神經(jīng)細(xì)胞里傳導(dǎo)。它跟電子在電線中的傳導(dǎo)不同，因?yàn)檫@種橫波是跨過細(xì)胞膜的離子流動造成的——陽離子從外面流入細(xì)胞內(nèi)，造成了波動，波動不斷向前推，其推動速度比電子流的速度慢很多，每秒鐘只有幾百米。 當(dāng)電波傳到神經(jīng)軸突終端的時候，會把信息傳遞給下一個細(xì)胞，我們稱之為突觸。一個神經(jīng)細(xì)胞之所以能夠把電信息傳給下一個細(xì)胞，借助的是釋放一種叫作神經(jīng)介質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)。
當(dāng)神經(jīng)介質(zhì)傳到下一個神經(jīng)細(xì)胞后，會繼續(xù)觸發(fā)下一個細(xì)胞的電活動，這就是電信號的傳導(dǎo)模式。
如何觀測電信號以及電信號在網(wǎng)絡(luò)中的處理模式等問題，是我們現(xiàn)今要了解的關(guān)鍵問題。
腦科學(xué)的三個發(fā)展方向
關(guān)于腦科學(xué)的未來，其發(fā)展方向有三。
第一個最重要，要理解大腦，這是我們理解大自然的終極目標(biāo)之一。我們常常提到神秘的外太空，對于人類來說，宇宙中有很多未解之謎，比如暗物質(zhì)和暗能量等。其實(shí)，我們的大腦里也有一個宇宙，人體的這個內(nèi)在宇宙的結(jié)構(gòu)是什么，它是如何工作的，這是我們未來所要了解的。
了解這些有什么好處呢？
一方面讓我們對自然有更深入的了解，另一方面可以有很重要的應(yīng)用——模擬大腦，創(chuàng)造出像人一樣智慧的機(jī)器，這是人工智能的終極目標(biāo)，也是腦科學(xué)的發(fā)展方向之一。
此外，在人口健康方面，大腦是如此重要，我們要保護(hù)好大腦、促進(jìn)智力發(fā)展，防止大腦的衰退以及腦疾病的產(chǎn)生，也是腦科學(xué)未來發(fā)展的另一個重要方向。
中國科學(xué)家經(jīng)過4年討論，才在2018年正式確定了中國腦計劃的內(nèi)容。世界各國都有腦計劃，美國、日本、歐盟的腦計劃規(guī)模都不小。中國的腦計劃籌劃了4年，很可能在2019年啟動。
該計劃是中國腦科技的未來。那么，它要做什么呢？
就像上面講的三個方向，中國的腦計劃具有一體兩翼的結(jié)構(gòu)。
主體結(jié)構(gòu)是前面介紹的腦認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)，也就是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，我們必須知道它的圖譜結(jié)構(gòu)，弄清楚聯(lián)接圖譜，結(jié)構(gòu)圖譜。在此基礎(chǔ)上，搭建各種平臺，幫助解析上述圖譜的功能。
為此，我們希望啟動一個由中國科學(xué)家主導(dǎo)的國際大科學(xué)計劃，做全腦介觀層面上的神經(jīng)聯(lián)接圖譜。對于介觀圖譜，不僅中國科學(xué)家感興趣，世界各國的科學(xué)家都有興趣。通過該計劃，人們能夠研究動物特別是模型動物（包括小鼠、獼猴等跟人最相近的靈長類動物）的大腦圖譜。
其中一翼要做腦疾病的診斷與治療，形成各種新型的醫(yī)療產(chǎn)業(yè)。
另外一翼是類腦人工智能、類腦計算、腦機(jī)接口等與人工智能相關(guān)的新技術(shù),該領(lǐng)域?qū)ξ磥淼娜斯ぶ悄墚a(chǎn)業(yè)具有重大影響。
這就是目前中國腦計劃的方向，也是大家公認(rèn)的最好的方向。與世界其他國家的腦計劃相比，雖然我們的計劃啟動得慢，但我們的設(shè)計是最圓滿的，希望它的實(shí)施也是最圓滿的。
發(fā)展方向之一：理解大腦
那么，大腦認(rèn)知的原理是什么？
第一個是基本的腦認(rèn)知功能。我們的感覺、對外界信息的接收，包括感知覺、學(xué)習(xí)和記憶、情緒和情感、注意和抉擇，這些都是基本的腦認(rèn)知功能。果蠅、小鼠、猴子，甚至斑馬魚、線蟲等很多動物都有這種基本功能。
至于高級的腦認(rèn)知功能，只有靈長類以上比較高等的動物才有。包括共情心與同情心——你悲痛了，我也感到悲痛；社會認(rèn)知，在社會群體里面的認(rèn)知；合作行為，人的合作行為是非常特殊、非常復(fù)雜的；各種意識，比如人的自我意識；語言，人類的語言是其他動物所沒有的、非常復(fù)雜的語言。
了解上述認(rèn)知功能產(chǎn)生的機(jī)理，對于設(shè)計類人腦的下一代人工智能具有重要意義。
想要設(shè)計出不僅能夠理解語音、辨識語音，還能理解語義的人工智能設(shè)備，還需要知道人的大腦是怎樣處理語言的。
要想做到這一點(diǎn)，必須先有模式動物。我們不能直接在人體上做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樯婕暗絺惱韱栴}。
由于獼猴的大腦結(jié)構(gòu)跟人非常靠近，是很好的模式動物。所以我們要先在獼猴等動物身上進(jìn)行各種操作，查找工作原理，之后引申開來，看看人類的大腦是否與此相同。
認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)里面，最關(guān)鍵的還是要制作出全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜。我們需要知道大腦里神經(jīng)元的種類、神經(jīng)元的類型怎樣定出來。這是一項(xiàng)很重要的工作，目前世界各國都在做相關(guān)研究，我們也要做。
了解了神經(jīng)元類型之后，還要弄清楚各腦區(qū)每一類神經(jīng)元的輸出纖維跟輸入纖維，以及它們要送到哪里去，這是結(jié)構(gòu)圖譜。
有了結(jié)構(gòu)圖譜，我們才能摸清它們的電活動，看看電波何時會出現(xiàn)，又是如何傳導(dǎo)信息的，這就是活動圖譜。
全部圖譜出來后，才能夠解析神經(jīng)環(huán)路的最終功能。
發(fā)展方向之二：疾病診斷與治療
在我國，腦科學(xué)的一項(xiàng)重大應(yīng)用就是為健康中國服務(wù)。如何維持健康的大腦發(fā)育以及智力發(fā)育，是非常重要的社會問題。維持大腦的正常功能，延緩大腦退化，這些都是健康生活所必需的。
對于老齡化社會而言，神經(jīng)退行性疾病是個大問題。目前，中國65歲以上的老年人有1億多，是世界上老齡人口最多的國家，甚至超過了印度。與此同時，中國人的平均壽命不斷增加，新生兒的壽命期望值是65歲，中國已基本進(jìn)入老齡化社會。 因此，防治各種與老齡化相關(guān)的疾病顯得非常重要。以大家最常聽到的阿爾茨海默癥（老年癡呆）為例，假如沒有很好的治療方法，到2050年，全世界會有超過1億人患上阿爾茨海默癥；在85歲以上的老年人中，平均1/3的人有發(fā)病的可能。這不是一個小數(shù)字。 據(jù)國際阿爾茨海默癥協(xié)會（ADI）發(fā)布的報告，到2050年，全球患有阿爾茨海默癥的人數(shù)將增加至1.315億人
如果中國腦計劃能夠在15年之后，把老年癡呆的發(fā)病期從85歲延緩到95歲，這就是一個巨大的貢獻(xiàn)。
其實(shí)，不僅是老年癡呆，其他疾病也會給社會帶來沉重的負(fù)擔(dān)。
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，包括各種神經(jīng)類和精神類疾病在內(nèi)的腦相關(guān)疾病，是所有疾病里社會負(fù)擔(dān)最大的，占到了28%，超過了心血管疾病，也超過了癌癥。因此，重大腦疾病的診斷和干預(yù)是未來腦科技領(lǐng)域一項(xiàng)非常重要的研究內(nèi)容。 什么是重大腦疾病？比如說，幼年期的自閉癥或者孤獨(dú)癥與智障，中年期的抑郁癥和成癮，阿爾茨海默癥與帕金森癥等老年期的退行性腦疾病等等，都屬于重大腦疾病。
只有充分了解它們的機(jī)理，才能夠找到最有效的解決方法。但我們在這方面的了解有限，尤其是對抑郁癥、雙相（俗稱躁郁癥）、精神分裂等精神類疾病，并不清楚到底是什么原因造成的。要把這些問題搞清楚，可能還需要幾十年時間。
不過，我們也不可能等到把致病機(jī)理完全搞清楚了才去治病，所以在致病機(jī)理完全清楚之前，必須研發(fā)出各種腦疾病的早期診斷指標(biāo)。
一旦有了診斷指標(biāo)，就可以進(jìn)行早期干預(yù)。比如說記憶開始衰退了，有哪些手段可以減緩或延遲衰退。這些干預(yù)手段可以是吃藥，也可以是物理、心理或是生理干預(yù)。
玩游戲也是一種干預(yù)手段，它是一種心理和生理的干預(yù)手段，你要動，你要想，你要做出快速反應(yīng)。
如果能夠設(shè)計出針對某一種功能異常的很好的干預(yù)手段，對腦疾病患者來說也是好事。不一定需要完全摸清機(jī)理，只要知道哪一個功能失常，所以對于功能的定量測量又變得非常重要了。
在腦疾病診治中所研發(fā)出的各種干預(yù)手段，在應(yīng)用到人體之前，必須先進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)，這涉及倫理問題。
如果沒有研發(fā)清楚，是不能夠進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)的。因此，建立起很好的獼猴等非人靈長類動物的疾病模型，就變得非常重要。
科研人員可以在研發(fā)出的獼猴的疾病模型上測試診斷手段是否有效，之后再進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。
除了機(jī)理不清楚之外，腦疾病治療還面臨著很難找到特異的藥物靶點(diǎn)這個難題。
藥物都有副作用，但其他疾病藥物的副作用不像腦疾病藥物的副作用那么大。這是因?yàn)槟X疾病產(chǎn)生的原因在于大腦的某些網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常。
有些網(wǎng)絡(luò)異常產(chǎn)生這種病，另外一些網(wǎng)絡(luò)異常產(chǎn)生其他疾病。但是藥物是針對分子和細(xì)胞的，而大腦網(wǎng)絡(luò)都是由類似的神經(jīng)細(xì)胞跟神經(jīng)突觸聯(lián)接形成，我們很難找到特異的藥物。
這也是為什么大的制藥公司做了20年的腦疾病藥物研發(fā)，其中大多數(shù)都以失敗告終，以至于多數(shù)大公司放棄了相關(guān)研發(fā)。
因?yàn)槊糠N藥物的研發(fā)周期異常漫長，十幾二十年時間，幾十億美金的投入，研制失敗率在90%以上，大公司覺得劃不來，所以就放棄了。
現(xiàn)在只能依靠科研人員在實(shí)驗(yàn)室做出很好的產(chǎn)品，大公司才緊隨其后投入進(jìn)去做檢驗(yàn)。
在臨床前，為判別藥物是否可用，也要進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)。檢測的首要指標(biāo)就是藥物的安全性，即看動物使用后是否安全，健康會不會受到不良影響，以及藥物的代謝問題等等。
以前常常用獼猴等靈長類動物進(jìn)行藥物檢測，但目前還缺少靈長類動物的藥效檢測模型。
這是因?yàn)檫M(jìn)行藥效檢測的前提是，獼猴等靈長類動物出現(xiàn)相關(guān)疾病的癥狀，才能進(jìn)行藥效實(shí)驗(yàn)。但目前研究人員手中并沒有靈長類動物的相關(guān)模型，以前的模型都是小鼠的，是不能用的，所以我們也在努力建模。
最近所做的克隆猴項(xiàng)目也是為了研發(fā)出克隆猴的疾病模型，以便應(yīng)用于腦疾病治療方面。 發(fā)展方向之三：類腦智能
腦科學(xué)研究的另外一個重要應(yīng)用就是腦機(jī)智能技術(shù)、類腦研究方面。
在該領(lǐng)域中，未來很重要的一個發(fā)展方向，就是腦機(jī)接口和腦機(jī)融合的新方法，還有各種腦活動的刺激方法、調(diào)控方法以及新一代人工網(wǎng)絡(luò)模型和計算模型。
盡管現(xiàn)在的深度網(wǎng)絡(luò)計算模型很好，但與人腦相比，還差得很遠(yuǎn)。如果能夠更進(jìn)一步研發(fā)出類人腦的新型計算模型和新的類似神經(jīng)元的處理硬件，并將它們應(yīng)用到新一代計算機(jī)上，有可能做出更優(yōu)秀、更高效的計算機(jī)，它們的計算能力也將更接近人類，并且能耗更低，效率也更高。
此外，類腦計算機(jī)器人和大數(shù)據(jù)處理也是未來類腦研究的方向。我重點(diǎn)談?wù)剤D靈測試。
大家也許聽說過圖靈測試，如何判斷一臺機(jī)器具有人的智能？圖靈在70年前就提出過這樣一個設(shè)想：在彼此看不到對方的情況下，分別與一臺機(jī)器和一個人對話，并在對話過程中，分辨出對方是機(jī)器還是人。
如果無法分辨出對方的身份，就可以認(rèn)定這臺機(jī)器具有人的智能。其中語義的理解是最關(guān)鍵的。 多少年來，人們一直希望做出能夠通過圖靈測試的機(jī)器。通過測試的標(biāo)準(zhǔn)是什么？現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是，只要有1/3的人在5分鐘之內(nèi)辨別不出跟自己對話的是機(jī)器還是人，即可認(rèn)定機(jī)器獲勝。
小冰是微軟（亞洲）互聯(lián)網(wǎng)工程院在中國推出的人工智能聊天機(jī)器人，可以通過對話不斷提升自己，增加自身的知識儲備，增強(qiáng)回應(yīng)能力。
雖然問世多年的小冰具有很高的對話能力，但人們還是很容易就知道它不是真的人，而只是一臺機(jī)器。
在今天，如果真正要做出好的類腦智能，必須依靠新的圖靈測試。什么是新的圖靈測試？
除了語言能力之外，測試指標(biāo)還應(yīng)包括對各種信息的感知能力與處理能力。
具體來說，可以讓一個機(jī)器人和一個人各自操作一只機(jī)械手來玩一個玩具，同時要求他們彼此間就動作情況進(jìn)行對話，以便進(jìn)行判別。我們很容易發(fā)現(xiàn)，類似測試可比跟一臺計算機(jī)對話復(fù)雜多了。
團(tuán)隊合作方面也是測試內(nèi)容。叫一個機(jī)器人與人類合作進(jìn)行某些活動，比如進(jìn)行比賽，觀察大家是否能夠辨別出來隊員中哪個是機(jī)器人哪個是人。這些都是新的圖靈測試所涵蓋的內(nèi)容。
我們可以期待，未來二三十年內(nèi)，可能出現(xiàn)能夠通過新的圖靈測試的、具有通用人工智能的類腦人工智能。