腦科學(xué)打開生命禁區(qū)之窗 或是下代信息技術(shù)創(chuàng)新源頭 推動(dòng)基礎(chǔ)神經(jīng)信息科學(xué)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(xiǎn)，因此腦部區(qū)域也被稱為“生命禁區(qū)”。而且大腦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一些相關(guān)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(xué)與類腦研究，主要方法不出兩類：實(shí)驗(yàn)和理論。近年來增加了第三種手段：計(jì)算。加上世界范圍內(nèi)深入開展的國際合作，為科學(xué)家研究“生命禁區(qū)”打開了一扇窗。

以復(fù)旦大學(xué)為例，2015年，學(xué)校就成立了類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院。作為跨學(xué)科國際化研究中心的先行者和試驗(yàn)田，學(xué)院以復(fù)旦大學(xué)雄厚的應(yīng)用數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科綜合優(yōu)勢為基礎(chǔ)，以計(jì)算神經(jīng)科學(xué)為橋梁，交叉融合、聚力創(chuàng)新，開展大腦機(jī)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(chǔ)研究和應(yīng)用研究，構(gòu)建了全球腦與類腦國際合作網(wǎng)絡(luò)。我們的目標(biāo)，是建設(shè)成為具有全球影響力的類腦智能研究與應(yīng)用融合發(fā)展的前沿科技創(chuàng)新中心，推動(dòng)我國“智能科學(xué)與技術(shù)”新興學(xué)科發(fā)展，推動(dòng)我國的腦與類腦智能前沿科學(xué)研究。

五大跨學(xué)科中心開展腦科學(xué)的前沿研究

腦科學(xué)和類腦研究很多方向都是跨學(xué)科的。為此，復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)學(xué)院建立了五大跨學(xué)科的研究中心。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中心：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)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(rèn)知活動(dòng)的大腦機(jī)制。結(jié)合認(rèn)知心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生理心理學(xué)、神經(jīng)解剖學(xué)、神經(jīng)影像學(xué)等多學(xué)科理論，進(jìn)行從感覺、知覺、注意、動(dòng)機(jī)，到?jīng)Q策判斷、學(xué)習(xí)記憶、情緒情感、思維意識等領(lǐng)域的研究，解析認(rèn)知過程的不同階段和大腦運(yùn)作的基本機(jī)制。最終利用計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(rèn)知功能，并建立全腦尺度神經(jīng)動(dòng)力學(xué)行為特征與疾病的關(guān)系。結(jié)合心理分析和神經(jīng)技術(shù)的手段對疾病進(jìn)行挽救和干預(yù)，達(dá)到從基礎(chǔ)科學(xué)到應(yīng)用科學(xué)的轉(zhuǎn)化。

生物醫(yī)學(xué)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(yīng)用，開展神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科前沿交叉研究，在腦疾病、癌癥、心血管疾病等方面推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和個(gè)性化醫(yī)療轉(zhuǎn)化研究，尋找腦疾病在基因、影像和認(rèn)知功能等方面的有效診斷指標(biāo)，提升腦重大疾病臨床診斷以及藥物療效評估的準(zhǔn)確性和效率;以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，探索腦疾病致病機(jī)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(chǔ)。

計(jì)算系統(tǒng)生物學(xué)中心：基于大數(shù)據(jù)分析與生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的交叉融合，建設(shè)生命科學(xué)形態(tài)計(jì)算仿真與數(shù)理技術(shù)應(yīng)用的平臺。開展認(rèn)知、注意、學(xué)習(xí)與記憶過程的腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，建立大腦學(xué)習(xí)記憶過程的大尺度計(jì)算模型，揭示大腦信息處理機(jī)制，啟發(fā)類腦智能學(xué)習(xí)新理論、新算法;發(fā)展非線性、系統(tǒng)科學(xué)的新理論與新方法，分析和理解大腦等復(fù)雜性系統(tǒng)演化的規(guī)律，并應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)復(fù)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(xué)中的定量化建模與分析，以及數(shù)學(xué)和生物學(xué)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(dòng)力學(xué)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(jī)制。將神經(jīng)編碼與智能理論相結(jié)合，研發(fā)神經(jīng)感知、神經(jīng)調(diào)控和神經(jīng)計(jì)算技術(shù)，突破腦-智融合技術(shù)，建立片上智能系統(tǒng)，研發(fā)自學(xué)習(xí)智能人——機(jī)融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能智能調(diào)控與仿生，為保護(hù)腦、增強(qiáng)腦、干預(yù)腦提供智能設(shè)備和創(chuàng)新解決方案。

綜合生物醫(yī)學(xué)影像中心(張江國際腦影像中心)：中心于2016年投入建設(shè)，由復(fù)旦大學(xué)與上海市全球科創(chuàng)中心市級重大專項(xiàng)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(shù)實(shí)驗(yàn)平臺。開發(fā)高級成像技術(shù)和多模態(tài)腦定量技術(shù)，探究腦功能、腦結(jié)構(gòu)、代謝、電生理、電化學(xué)等信號，揭示腦信息生成與處理機(jī)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(yù)后;建立腦數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理的標(biāo)準(zhǔn)，拓展腦與類腦科學(xué)基礎(chǔ)生物研究，為神經(jīng)科學(xué)與臨床診斷提供綜合性的高端研究平臺。

腦科學(xué)與類腦智能研究應(yīng)用廣泛，或是下一代信息技術(shù)的創(chuàng)新源頭

從2015年以來，在腦科學(xué)與類腦智能研究與應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)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(shù)，開創(chuàng)治療新途徑;在算法與應(yīng)用方面，受左右腦啟發(fā)，設(shè)計(jì)了雙通道跳躍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，圖像分類性能出色，達(dá)到國際領(lǐng)先水平;在腦機(jī)制解析方面，首次揭示抑郁癥與睡眠問題關(guān)系的腦調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)精神疾病風(fēng)險(xiǎn)基因擾亂青少年腦發(fā)育等。

產(chǎn)學(xué)研合作也取得了進(jìn)展，建立了智能機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。2016年12月，我們攜手科大智能公司，共建智能機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。雙方團(tuán)隊(duì)就機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理等多個(gè)方面開展了科研項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化工作，實(shí)驗(yàn)室已成為服務(wù)機(jī)器人技術(shù)、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(xiàng)目取得重要成果。比如，基于深度學(xué)習(xí)的腦健康智能影像體檢系統(tǒng)。我們結(jié)合影像學(xué)基礎(chǔ)理論、利用大量影像及診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，快速分析核磁掃描影像，精準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)人群，及時(shí)警示干預(yù)，幫助醫(yī)生快速讀片，提高診斷準(zhǔn)確率。

我們開發(fā)了一款影像學(xué)指標(biāo)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(dòng)對CT掃描進(jìn)行智能分析，2分鐘以內(nèi)就能給出量化結(jié)果輔助醫(yī)生進(jìn)行下一步診療決策。一般情況下，中風(fēng)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(gè)系統(tǒng)也能輔助手術(shù)醫(yī)生做決策。

腦科學(xué)研究的應(yīng)用十分廣泛。比如我們還建立了電網(wǎng)設(shè)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(jī)器人巡檢的紅外圖像分析，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)評估，設(shè)備異常狀態(tài)檢測準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。

現(xiàn)在，張江國際腦科學(xué)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(xué)習(xí)理論和方法，構(gòu)建多模態(tài)腦影像，高性能計(jì)算、類腦芯片，機(jī)器人智能實(shí)現(xiàn)等類腦智能核心試驗(yàn)平臺，集成可構(gòu)建腦功能圖譜的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)平臺，推動(dòng)基礎(chǔ)神經(jīng)信息科學(xué)研究、腦重大疾病臨床研究以及技術(shù)開發(fā)，為下一代信息技術(shù)革新提供全新的智能處理理論、方法、技術(shù)與平臺，為推動(dòng)類腦智能及相關(guān)產(chǎn)業(yè)顛覆性變革提供技術(shù)創(chuàng)新源頭。