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專訪 | 蒲慕明院士:未來人工智能進一步發展需從腦科學得到啟發
2019/04/29
中國科學院神經科學研究所所長蒲慕明院士是著名神經生物學家,領導的中科院神經所團隊成功克隆出獼猴,實現了世界上首例靈長類動物的體細胞克隆,為探索大腦高級認知功能及腦疾病治療帶來全新方法。他還致力于推動中國腦計劃,立志揭開大腦這一“內部宇宙”的神秘面紗,并讓未來的人工智能擁有人類認知。


人類思維的物質載體是大腦,組成人腦的神經細胞數量上千億;而作為神經細胞連接點的“突觸”數量,又是神經細胞的1000倍,總數達10的14次方。正是這些神經環路和網絡,使人類得以產生感覺、形成意識,擁有思維、記憶和認知能力。而當下,人類對于大腦的認知還相當有限。

近幾年,全世界掀起腦科學的浪潮,這個浪潮在歐美、日本都引發了國家性的腦科學計劃。我們中國科學家在過去幾年中也做了很大的努力——積極推動中國腦計劃的啟動,中國科學院神經科學研究所所長蒲慕明院士就是其中一位。

近日,在冷泉港亞洲舉辦的2019-弗朗西斯?克里克系列會- 變革中的神經科學的現場,生物探索有幸采訪到了蒲慕明院士。他說道,“從2013年起,世界各國包括從歐盟開始到美國、日本,都啟動了大型的腦科學計劃。我們中國也很早就開始討論要有一個全國性的大型腦計劃,現在看來中國腦計劃有望在今年內啟動。”

中國腦計劃

中國腦計劃相比其他幾家國家的腦計劃會有所差別。蒲慕明院士指出,“我們是比較廣譜的、聚焦多方面,包括腦科學現在一些基本的問題、腦疾病的診斷治療、腦啟發的人工智能。這三個領域都在腦計劃范圍之內,而且這個腦計劃是配合中國中長期科學的戰略規劃,計劃是到2035年。”

蒲慕明院士具體介紹道,前5年計劃,中國腦計劃主要是聚焦在基礎研究方面,包括在認知的神經環路,與認知相關的很多疾病,如老年癡呆癥、抑郁癥、孤獨癥等都是將來腦計劃重點要研究的對象。另外就是和認知直接相關的人工智能。人工智能現在非常強大,在一些單一功能方面比人類要強的多。但是目前人工智能的現狀還是依賴于大數據跟強大的計算能力。相比之下,我們的大腦非常有效率,它利用相當于20瓦特電力的能量,能夠做各種復雜的任務,是通用的智能。未來,人工智能要學習人腦,在計算方法、機器學習的框架和模型上做大幅的改進,從而設計地更加節能有效,進而在小數據面前也能夠做出決策。將來,全世界的腦計劃都會朝著這一長遠的目標來發展。蒲慕明院士希望,通過中國腦計劃的設計,我國能夠在重要的前沿領域有一席之地。

挑戰機遇并存

中國腦計劃從討論到最終真正地落地,耗時之久周期之長,蒲慕明院士深有體會。他坦言,“我們研究的隊伍體量并不是很大,而且研究力量是分散的。比如說,我們有很大的優勢是病人資源,全國各個大醫院中心、臨床中心都有很多病例和數據樣本,但是這些沒有做成全國統一的數據標準,只有做到標準的統一化,才能真正發揮我們的優勢。所以腦計劃最大的挑戰是它不是一般的科研計劃,需要針對重大的問題形成團隊來攻關,而且重大的問題要目標明確。”

另外,中國在非人靈長類(猴類)的研究也是世界是領先的。非人靈長類的研究重要性不言而喻。因為各種腦疾病的藥物研發,現在面臨的最大問題就是動物模型用的是鼠。鼠跟人還差得很遠,猴類(尤其是獼猴),它的解剖結構和生理現象都跟人更相近。現在國際上藥物神經系統藥物研發投入幾百億美金,都沒有得到很好的藥物,很大的原因就是動物模型的問題。

所以,在蒲慕明院士看來,我們中國腦計劃很可能在這些優勢領域會有重要的貢獻。

獼猴模式動物的成果

2017年11月27日,蒲慕明院士所帶領的中國科學院神經科學研究所非人靈長類平臺迎來一個“大驚喜”:世界首例體細胞克隆猴“中中”順利誕生,一周后,(12月5日)第二只克隆猴“華華”也成功出世。克隆猴的誕生意味著中國將率先建立起可有效模擬人類疾病的動物模型。利用克隆技術,可在一年時間內,培育大批遺傳背景相同的模型猴。這既能滿足腦疾病和腦高級認知功能研究的迫切需要,又可廣泛應用于新藥測試。

蒲慕明指出,以靈長類(獼猴)作為模式動物有兩個重點,一個就是它的高等認知功能。“在鼠上沒有的高等認知功能,我們可以在獼猴上研究,這有助于理解靈長類,包括人類它的高等認知功能。比如說我們有非常復雜的執行決策過程、有共情心和很復雜的社會行為,甚至我們語音交流比其他動物多得多。這些在鼠上實現比較困難,在猴上就容易地多。我們最近做了一個研究,就是把建立獼猴自我意識的模式。比如說訓練獼猴能夠在鏡子里面認得是自己(自我意識的反應),這樣我們就可以研究自我意識,進而理解比較高等認知功能的神經基礎。”蒲慕明院士如是說道。

另外一個重點就是作為疾病的模型。比如說,人體有晝夜的節律,跟睡眠等都有關。節律的異常與很多腦疾病、代謝性疾病、腫瘤等有關。所以我們現在就敲除了獼猴節律的基因,發現它有很多癥狀可以反映到人的節律異常的癥狀,比如睡眠不正常、有焦慮、有抑郁,甚至有精神分裂的一些癥狀,這樣獼猴就變成一個可以研究的對象。所以說,高等認知功能的神經基礎和腦疾病模型的研發,這就是我們這些目前努力的方向。

當然,蒲慕明院士也提到,目前國內很多實驗室都在有神經元分辨度的介觀層面關心神經連接。因為醫院里做的腦成像圖譜,其圖譜的分辨度看不到單一的神經元的神經細胞連接。若要做到觀察到神經細胞的連接,必須要在介觀層面達微米階層的分辨度。

目前,介觀層面腦圖譜在鼠上、斑馬魚上都做得很好。蒲慕明院士團隊希望能夠把介觀連接圖譜做到獼猴的大腦,這樣就跟人的大腦更靠近了。他表示,“所以我們把獼猴的介觀神經連接圖譜作為一個大的目標,這需要全世界相關實驗室的共同合作。最終,我們希望通過這樣的獼猴神經圖譜的繪制,中國科學家能夠推動全球國際的大科學計劃,就像人類基因組計劃一樣。這個目標很遙遠,但是這是一個可見的目標。”

未來5年腦科學藍圖

那么未來5年,腦科學會呈現怎樣的藍圖?蒲慕明院士覺得,基礎神經科學、腦疾病的診斷治療、類腦人工智能等領域會有重大突破。具體來說,第一,基礎神經科學包括研究認知功能的研究會有一些進展。比如大腦怎樣整合神經的信息、記憶學習的環路、更高等的共情心和自我意識的環路等。第二,腦疾病的診斷治療會有一些突破。未來五年之內,會研發出因為基因突變造成的腦疾病的動物模型,并以此研發出診斷、干預或治療這些疾病的方法。第三,類腦人工智能會有一些成果。新型腦機接口,不應該是簡單地大腦控制機器,而是機器會反饋到大腦,進而改變大腦控制的模式,還有腦網絡結構和功能所啟發的新一代人工智能軟件和器件與系統。

給青年學者的建議

冷泉港亞洲會議十年前成立的時候,蒲慕明院士就參與了委員會并提供了建議。即便是參加了數不勝數的會議之后,他仍然覺得,冷泉港亞洲是一個很好的學術交流平臺。腦科學等領域的國際上重要的專家學者都有機會通過這個會議來到國內,讓國內年輕的學生、學者能夠面對面與他們交流。在蒲慕明院士看來,面對面的交流,其實比看文獻要重要的多,雖然現在網絡很發達,但是當面交流往往幾句話,就可能比讀幾十篇Paper還有用。

另外,他建議道,剛開始做科研的年輕科學家們一定要沉下來心來把事情做成功,這樣才可以在一個領域內有所建樹。不管研究問題大小,一定要堅持做下去、做成功。要是一次失敗,就泄氣,在做還可能會失敗,如此一來,年輕人就對研究科研沒有任何興趣了。所有對科學的興趣都不是與生俱來的,而是在探索科學的過程中,通過專注努力得到了成果,學會了溝通和解決問題的能力,這樣才會越做會好。

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