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前沿 | 程和平院士:脑科学研究将怎样改变社会?

作者:小磁   发布时间:2021-10-28   阅读次数:18

程和.png前几天,程和平院士接受了剑桥大学南京科技创新中心的采访,他介绍了全球脑科学和类脑研究的进展,特别提到了通过物理手段调控大脑是目前脑研究的一个重要方面,并对从事科研的年轻人寄予了殷切期望。以下是部分采访内容:


问:脑科学研究的迷人之处在哪里?

答:脑科学是科学前沿领域,也可以说是生命科学“皇冠上的明珠”,而且它是不一样的生命科学,它跟我们自身,以及人文、社会还有计算、信息等等许多方面都交织在一起。

有关大脑的研究非常复杂,但是现在技术更发达了,比如脑磁图、脑电图等等。技术和计算能力的发展,让许多以前没法研究的问题变得可以研究了。

而且我们是在一个爆发式突破的过程中,现在只是开始,我相信这个过程在未来的10年、20年,甚至50年里会继续下去。我相信我们正在经历一个脑科学的世纪。

问:近年来脑科学和类脑研究取得了哪些进展?又有哪些关键问题存在呢?
 
答:我自己的体会,脑科学和类脑科学可以归结为四个字。

·读:怎么获取大脑里的小宇宙的结构和信息。大脑很复杂,或许可以说是宇宙中最复杂的网络之一,它有几百亿个神经元,再乘以1000倍的连接。而且这个不是一个静态的宇宙,它是一个动态的、活跃的网络,而这些活动是有功能的,是有一定的意义的,不是随机的。而我们要去思考怎么获取这个网络的功能的图像。

·释:如何理解脑是怎样组织的。
你有了这些结构,这些功能的数据,你怎么来理解脑是如何组织的,它的工作的原理是什么,理解它是有不同层次的,有最高级的人脑是怎么工作的,最小的一个细胞又是怎么工作的,一个控制的回路是怎么工作的。这就是“释”。

·写:如何对脑进行调控。
所谓写,我理解为对脑的一些调控,在“释”的基础上,再加入一些新的物理或药理,或者两者结合的手段,你是有可能来调控脑的一些异常状态,或者增强你脑的功能的

·仿:如何把自然脑的原理用到人造系统上。仿可以理解为“类脑”。自然脑是自然界创造的奇迹,我们从中学到的一些原理,如何用到人造的工程系统上。比如现在的深度学习的神经网络,可能用到这里面的某些原理,但其实用的还是太少了,还有很多原理是人工智能还没有开始使用的。

问:四个字概括了很多,您也提到脑科学是一个非常交融的学科。您能谈谈您觉得它是一门怎样的交叉学科呢?

答:说说我的观点,我觉得在当代的脑科学中,成像技术占一个很大比例,包括光学成像、磁共振成像、结构成像等等。成像不仅针对静态结构,还包括了功能成像,比如我刚刚提到的微型化双光子显微镜,它可能是功能成像的一种利器。

另一个方面就是信息技术,比如海量数据的处理。如果再把数学单拎出来,还有数学技术、数学工具和数学方法,再加信息技术的结合,这是第二大方面。

第三个方面就是神经科学本身,包括临床医学和神经科学的领域。

还有就是笼统的技术,也就是各种各样的新机械。比如帮助用不同手段对脑进行刺激,可以有光、电、磁、超声等等。当然不光是刺激,也可以是干预,甚至调制。

如果再继续说下去,我们还可以联想到人文学科,我们为什么拥有这样的文化,语言是怎么来的。所有这些在本质上都是相关的。
 
问:目前许多国家都开启了自己的脑科学计划,中国也不例外。您觉得我国的脑科学计划有哪些特色?

答:现在美国、欧洲都有自己的脑科学计划,每个计程划突出的方向各不相同,比如有的更注重是“读”,目标创造出更好的“读”的工具,而像欧洲的一些脑计划可能更注重“仿”的方面。

中国的脑计划是各个方面更平衡的一种策略。我理解如果概括来说就是“一体两翼”。所谓一体,就是脑的工作原理,而两翼就是脑医学,改变我们治疗脑疾病或者预防脑疾病,以及脑和类脑的融合,脑研究的成果怎么帮助类脑发展,或者指明新的方向,开拓新的领域。所以我认为它是一种比较综合的策略,就是我个人的解读。

它在方法上也有一些特色,比如它强调灵长类作为人脑和其他动物脑之间的理解的桥梁。还有蒲慕明教授做的介观脑的研究,构造一种细胞和环路的水平的脑图谱,它既是结构的图谱,也是功能的解析。

这包括在这方面发展的一套结构和功能解析等技术,以及为技术开发的包括病毒载体之类的工具,我觉得都很有特色。

问:如果把眼光放在未来5-10年内,您觉得脑科学会有怎样的发展呢?

答:我觉得5-10年这个尺度,可能一方面是研究本身,另一方面则是继续打造工具。

我们的工具还是不够好,还需要更多观测神经元和脑的工具。天文学中有一套又一套的观测工具来探索宇宙,我们观测脑也是如此。

除了观测工具,还有解析工具的打造,特别像数学理论。关于脑的数学理论其实太少了。我们现在能看一千个、一万个神经元的活动,可是理解这一万个神经元网络活动的数学并不存在。这需要这一代,甚至下一代的科学家接着发展。这也是为什么我觉得我们的时代是脑科学的时代。

在我看来,一方面是成像工具,一方面是理解数学的工具。特别有意思的是,我们通过脑的研究发明了类脑,而类脑也会反过来帮助我们解析我们的脑。

所以我觉得未来5-10年,在这些方面,还有类脑的研究怎么促进脑的研究,都会看到一些苗头。新的工具涌现,前所未有的分析水平,这是我看见的几个方面,其实也可能是我在研究上要追逐的几个方面。

问:那如果时间尺度更大,到未来30年的展望呢?脑科学的研究又会怎样改变我们的社会图景?

答:那就是2050年左右。那个时候我相信我们应该有这样的技术,在不带来损伤的情况下非常精准地描绘我们脑的状态,同时有一个闭环的控制,如果我们愿意,可以调控脑的状态。所以我们的读和写应该是实现了一个闭环。这个闭环的意义很重要。比如面对抑郁问题,它可以帮助缓解甚至解决这样的问题。这个闭环一定需要类脑技术,很多问题可能有望从根本上来解决。你可以识别状态,而且有手段去精准调控状态,这个是我设想到的一个场景。

第二个场景就是,在30年的尺度上,我们甚至能进一步理解我们思维。如果那样的话,我们跟某些特定的病人的交流就会有非常好的工具。而且他们也有很好的工具与世界进行交流了。

其他的还有很多,比如我们的脑和类脑连接起来能不能产生新的智能,那就是开放性的问题了。Let's see!
 
问:您对从事科研的年轻人有怎样的寄语呢?

答:他们生长在一个不同的时代,现在科学的发展非常非常快。对他们来说,我觉得他们应该抓住这些时代提供的大舞台,来实现他们在科学上的梦想。

当然我也有我的梦想,希望我和他们一起,来实现各自的梦想。
 
 
采访内容由剑桥大学南京科技创新中心提供。


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