文圖/《中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)》 主筆 潘 鋒 記者 張浩臣

以“創(chuàng)新，為了人類美好生活”為主題的“2021 浦江創(chuàng)新論壇”6 月3 日在上海舉行，上海市委書記李強(qiáng)、科技部部長(zhǎng)王志剛等出席論壇全體大會(huì)。王志剛在主旨報(bào)告中說(shuō)：“當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局讓人類生活更加美好，離不開(kāi)科技創(chuàng)新的有力支撐。我們將深入落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于科技創(chuàng)新的重要指示精神，緊緊抓住新科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重大戰(zhàn)略機(jī)遇，在應(yīng)對(duì)全球重大挑戰(zhàn)中充分發(fā)揮科技創(chuàng)新的關(guān)鍵作用，強(qiáng)化科技創(chuàng)新對(duì)新發(fā)展格局的支撐引領(lǐng)，把實(shí)現(xiàn)人民高品質(zhì)生活作為重要著力點(diǎn)，為解決不平衡不充分發(fā)展的矛盾提供科技創(chuàng)新答案?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)科學(xué)院外籍院士、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任、上海腦科學(xué)與類腦研究中心主任蒲慕明教授，在浦江創(chuàng)新論壇全體大會(huì)上做的題為“腦科學(xué)、腦疾病與類腦智能”的主題報(bào)告中，介紹了中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃和未來(lái)腦科學(xué)研究的重要發(fā)展方向。

中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃“一體兩翼”

蒲慕明院士首先介紹說(shuō)，腦科學(xué)研究的目標(biāo)就是要闡明腦功能的神經(jīng)基礎(chǔ)和工作原理，即大腦的結(jié)構(gòu)是什么、大腦是如何工作的，這也是人類理解大自然的終極目標(biāo)之一。同時(shí)也希望從大腦的研究中得到一些啟發(fā)，從而能夠模擬大腦、研發(fā)腦機(jī)接口和類腦人工系統(tǒng)，得到更高的智能人工器件如智能機(jī)器人等，通過(guò)模擬大腦創(chuàng)造出像人一樣智慧的機(jī)器則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。另外，在人口健康方面科學(xué)家們希望通過(guò)對(duì)大腦的研究，闡明腦疾病是如何產(chǎn)生等問(wèn)題，以更好地保護(hù)好大腦，防止大腦衰退，診斷治療腦疾病和創(chuàng)傷，促進(jìn)智力發(fā)展。

蒲慕明院士接受媒體采訪

蒲慕明院士說(shuō)，由于重大腦疾病的危害性十分嚴(yán)重，世界各國(guó)都把研究腦疾病作為醫(yī)療與健康政策中最優(yōu)先支持的項(xiàng)目之一。重大腦疾病研究具有綜合交叉和科學(xué)前沿的雙重特點(diǎn)，可以帶動(dòng)信息、電子、先進(jìn)制造等學(xué)科發(fā)展，促進(jìn)新興產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)，美國(guó)、歐盟、日本等近年來(lái)相繼推出的各自的腦計(jì)劃都是把腦疾病研究作為主要的組成部分和最終目標(biāo)。中國(guó)也已在多年前開(kāi)始醞釀中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃，經(jīng)過(guò)4 年討論于2018 年正式確定了中國(guó)腦計(jì)劃的內(nèi)容，就是“一體兩翼” 的基本架構(gòu)，“腦科學(xué)與類腦研究” 成為科技部創(chuàng)新2030 重大科技項(xiàng)目之一。

蒲慕明院士介紹，“一體”就是指研究腦認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)，包括建立腦研究創(chuàng)新技術(shù)平臺(tái)、開(kāi)展與認(rèn)知功能相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路研究、腦智發(fā)育過(guò)程研究等。同時(shí)，要繪制大腦在介觀層面的神經(jīng)聯(lián)接圖譜，并在此結(jié)構(gòu)圖譜的基礎(chǔ)上解析神經(jīng)環(huán)路的功能?！皟梢怼狈謩e是腦疾病診治和腦機(jī)智能技術(shù)，腦疾病診治包括認(rèn)知相關(guān)重大腦疾病的早期診斷與干預(yù)、臨床和社區(qū)隊(duì)列數(shù)據(jù)和樣本庫(kù)建立等并以此推動(dòng)腦健康和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展。腦機(jī)智能技術(shù)則包括了類腦計(jì)算系統(tǒng)、類腦器件、智能體以及腦機(jī)接口與腦調(diào)控技術(shù)等，該領(lǐng)域?qū)?duì)未來(lái)人工智能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。

構(gòu)建大腦介觀圖譜

蒲慕明院士認(rèn)為，要深入理解大腦和闡明大腦是如何工作的就需要精細(xì)地了解大腦的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在研究大腦結(jié)構(gòu)有不同分辨率的技術(shù)手段，可以從三個(gè)層面研究腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜。一是宏觀圖譜，利用的是核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)，MRI 空間分辨率為毫米，在這個(gè)范圍內(nèi)大致可以看到神經(jīng)束在腦區(qū)之間的走向。二是介觀圖譜，旨在進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的聯(lián)接細(xì)節(jié)，了解每一個(gè)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)接并傳送信息，在各種腦功能時(shí)有什么神經(jīng)活動(dòng)。介觀圖譜是細(xì)胞層面的，空間分辨率為微米，使用的是光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)。三是微觀圖譜，在電子顯微鏡下對(duì)神經(jīng)細(xì)胞聯(lián)接的細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察，電子顯微鏡成像的空間分辨率是納米，可以觀測(cè)到細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前介觀全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜是全世界神經(jīng)科學(xué)家都十分關(guān)心的一個(gè)研究方向，中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在介觀圖譜繪制方面已做出國(guó)際矚目的成果。

蒲慕明院士介紹，大腦認(rèn)知的神經(jīng)原理是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，主要內(nèi)容包括基本的腦功能，如感覺(jué)和知覺(jué)、學(xué)習(xí)和記憶、情緒和情感、注意和抉擇等，從線蟲、果蠅和斑馬魚到小鼠和猴子等很多動(dòng)物都具備這些基本功能，通過(guò)對(duì)這些動(dòng)物大腦的研究理解執(zhí)行上述功能的相關(guān)神經(jīng)環(huán)路和工作機(jī)理。此外還有高級(jí)腦認(rèn)知功能，高級(jí)腦認(rèn)知功能只有靈長(zhǎng)類以上較高等的動(dòng)物才有，如共情心、親社會(huì)行為、意識(shí)、語(yǔ)言等，還有人類復(fù)雜的語(yǔ)言也是其他動(dòng)物所沒(méi)有的，因此腦科學(xué)研究需要了解高級(jí)腦認(rèn)知功能的神經(jīng)環(huán)路和工作機(jī)理，闡明認(rèn)知功能產(chǎn)生機(jī)理對(duì)于設(shè)計(jì)類人腦的下一代人工智能具有重要意義。此外，腦科學(xué)研究還有助發(fā)現(xiàn)腦認(rèn)知功能的發(fā)育過(guò)程，如孩子剛出生的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)出現(xiàn)智能，大腦的成長(zhǎng)過(guò)程是怎么回事，闡明認(rèn)知功能發(fā)育的神經(jīng)環(huán)路、遺傳和環(huán)境因素對(duì)認(rèn)知功能的影響等。

蒲慕明院士說(shuō)，探究上述因果關(guān)系和全景式理解大腦未知首先需要一張大腦“地圖”即全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜。我們需要知道大腦中神經(jīng)元的種類，然后要弄清楚不同腦區(qū)每一類神經(jīng)元的輸出和輸入的神經(jīng)聯(lián)接，他們把信息都傳送到哪里去了，接收到了哪些神經(jīng)細(xì)胞的信息，這就是神經(jīng)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)圖譜的作用。有了結(jié)構(gòu)圖譜才能進(jìn)一步觀測(cè)腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中各種神經(jīng)環(huán)路上的電活動(dòng)，理解電信號(hào)如何在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，這就是神經(jīng)聯(lián)接的活動(dòng)圖譜，有了活動(dòng)圖譜才能解析神經(jīng)環(huán)路的工作原理，因此，未來(lái)腦科學(xué)研究的第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是在介觀層面上闡明大腦的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能。

蒲慕明院士介紹，我國(guó)已啟動(dòng)了一個(gè)繪制全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜的大科學(xué)計(jì)劃，該計(jì)劃將首先繪制小鼠、獼猴等等模式動(dòng)物的全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜，最終將擴(kuò)展到人類大腦的全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜。目前我國(guó)介觀圖譜繪制技術(shù)已居世界領(lǐng)先水平，中國(guó)科學(xué)院院士、華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室教授駱清銘等，創(chuàng)建了具有亞微米分辨率的全腦顯微光學(xué)切片斷層成像（microoptical slice tomography，MOST）技術(shù)，這一技術(shù)滿足了全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制的重大需求。利用這一技術(shù)研究人員已經(jīng)三維重構(gòu)了數(shù)千個(gè)小鼠皮層神經(jīng)元的軸突全腦投射圖譜，這些神經(jīng)元種類繁多，它們的全腦投射有許多特殊的規(guī)律，這些規(guī)律只有通過(guò)介觀層面細(xì)胞分辨率的分析才能解析清楚。人腦有近千億個(gè)細(xì)胞，分析的復(fù)雜性和龐大的數(shù)據(jù)量都是難以想象，需要數(shù)理科學(xué)家、信息科學(xué)家等的共同努力。

服務(wù)健康中國(guó)

蒲慕明院士說(shuō)，來(lái)自世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示在各種疾病的社會(huì)負(fù)擔(dān)中腦疾病占28%。這些腦疾病包括單向情感障礙、藥物和酒精成癮、其他心智障礙及精神疾病、精神分裂癥、雙相型障礙、癡呆、癲癇和其他神經(jīng)類疾病，包括神經(jīng)類和精神類疾病在內(nèi)的各種腦疾病在所有疾病中社會(huì)負(fù)擔(dān)最大，超過(guò)了心血管疾病和癌癥。另外需要看到的是目前還沒(méi)有治療腦疾病很有效的藥物，中國(guó)和世界腦疾病藥物研發(fā)進(jìn)展緩慢。

蒲慕明院士認(rèn)為，腦科學(xué)研究的重大應(yīng)用就是為健康中國(guó)服務(wù)。如何維持健康的大腦發(fā)育和智力發(fā)育等都是非常重要的社會(huì)問(wèn)題，維持大腦正常功能，延緩大腦退化也是健康生活所必需的。目前，中國(guó)65 歲以上老年人超過(guò)1 億，我國(guó)已進(jìn)入老齡化社會(huì)，而神經(jīng)退行性疾病是老齡化社會(huì)必須面對(duì)的一個(gè)大問(wèn)題。此外，對(duì)于幼年期孤獨(dú)癥和智障、成年抑郁癥和成癮、老年期的退行性腦疾病、阿爾茨海默病與帕金森病等各種重大腦疾病，只有充分了解了他們的發(fā)病機(jī)理才能夠找到最有效的解決方法。對(duì)各種重大腦疾病盡管已有了數(shù)十年的研究，科學(xué)界也提出了一些理論，但至今很多腦疾病的發(fā)病機(jī)理仍不清楚，也沒(méi)有很好的解決方法，為未來(lái)的研究之路還很長(zhǎng)。但在完全弄清楚發(fā)病機(jī)理之前必須研發(fā)出針對(duì)不同腦疾病的早期診斷指標(biāo)和早期干預(yù)手段，需要確立腦重大疾病預(yù)警手段和血液、腦脊液、分子影像、腦功能等早診指標(biāo)。一旦有了早診指標(biāo)就可以進(jìn)行早期干預(yù)，如可以用一些手段來(lái)減緩或延遲記憶衰退。未來(lái)需要研發(fā)更多的腦重大疾病早期干預(yù)、治療與康復(fù)新技術(shù)、新方法、新儀器，包括藥理、生理、心理和物理技術(shù)等。

“要等我們把致病機(jī)理搞清楚就太晚了，社會(huì)負(fù)擔(dān)太大了，我們要在這之前對(duì)疾病有預(yù)警，能早期診斷，能進(jìn)行早期干預(yù)?！逼涯矫髟菏空f(shuō)，蒲慕明院士認(rèn)為，腦重大疾病研究需要有更加符合臨床實(shí)際的非人靈長(zhǎng)類疾病模型，從而為相關(guān)藥物、診斷與治療技術(shù)的研發(fā)提供可靠的平臺(tái)，縮短臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的時(shí)間。腦疾病治療目前面臨著很難找到特異性藥物靶點(diǎn)這一難題。因此，在臨床前為判別藥物是否可用需要進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)的首要指標(biāo)就是藥物的安全性即觀察動(dòng)物使用后是否安全，健康指標(biāo)會(huì)不會(huì)受到不良的影響等。腦疾病診治新技術(shù)研究首先要建立帶有腦疾病的動(dòng)物模型，在這些模型上進(jìn)行各種干預(yù)手段的篩選和驗(yàn)證，然后再進(jìn)行人體臨床實(shí)驗(yàn)并最終成為臨床可應(yīng)用的干預(yù)和治療手段。由于獼猴的大腦結(jié)構(gòu)與人類非常相近，因此是很好的模式動(dòng)物，所以建立獼猴腦疾病動(dòng)物模型是十分必要的?？寺『铩爸兄小焙汀叭A華”（正常猴）于2017 年底誕生，Nature 發(fā)表評(píng)論稱“克隆猴將為生物醫(yī)學(xué)界帶來(lái)革命性的進(jìn)展”，節(jié)律紊亂疾病模型克隆猴于2018 年底誕生，這些中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所的成果都為腦疾病治療研究提供了很好的動(dòng)物疾病模型。

蒲慕明院士介紹，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心/神經(jīng)科學(xué)研究所于2016 年啟動(dòng)腦功能檢查工具集研發(fā)項(xiàng)目，研發(fā)出了一組定量、廣譜、簡(jiǎn)易有效的腦功能障礙早期診斷標(biāo)準(zhǔn)化工具集。通過(guò)多單位、多課題組團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了15 項(xiàng)認(rèn)知功能定量檢測(cè)工具集（1.0 版），包括視聽(tīng)嗅覺(jué)、短期記憶、長(zhǎng)期記憶、面孔識(shí)別、注意力、負(fù)面情緒、眼動(dòng)軌跡、手動(dòng)、沖動(dòng)控制、決策與判斷力、語(yǔ)言等。

“玩一些游戲，做一些腦電記錄和眼動(dòng)記錄都是客觀定量的，工具集一個(gè)半小時(shí)給的數(shù)值可以指出你的各種腦功能的狀態(tài)?！逼涯矫髟菏空f(shuō)。

蒲慕明院士介紹說(shuō)，腦健康普查30 年目標(biāo)是：2020—2021 年，認(rèn)知功能定量檢測(cè)工具集（1.0 版）在上海各大醫(yī)院和精神衛(wèi)生中心試用；2025 年，建立各項(xiàng)腦功能指標(biāo)隨年齡的正態(tài)分布和異常界定標(biāo)準(zhǔn)，在長(zhǎng)三角各大醫(yī)院實(shí)現(xiàn)老年人群全面實(shí)施腦健康普查，為腦疾病早期預(yù)警和診斷提出指導(dǎo)性建議和方案，為各種異常腦功能提供特異性早期干預(yù)方法和手段。2050年，腦健康普查將全面推廣到全國(guó)，通過(guò)早期診斷和早期干預(yù)改善我國(guó)老年人群腦健康狀況，減輕社會(huì)醫(yī)養(yǎng)負(fù)擔(dān)，同時(shí)將中國(guó)腦健康普查模式、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、干預(yù)手段推廣到全球，為世界腦健康做出中國(guó)貢獻(xiàn)。

腦機(jī)智能技術(shù)發(fā)展方向

蒲慕明院士在報(bào)告最后一部分重點(diǎn)闡述了中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃“兩翼” 中的另一翼即腦機(jī)智能技術(shù)。腦機(jī)智能技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向包括：腦機(jī)接口和腦機(jī)融合新模型、新方法，腦活動(dòng)調(diào)控技術(shù)，即通過(guò)電、磁、光、超聲來(lái)改變大腦的狀態(tài)。盡管現(xiàn)在的深度網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型很好，但與人腦相比還相差得很遠(yuǎn)，需要開(kāi)發(fā)新一代機(jī)器學(xué)習(xí)模型和類腦計(jì)算系統(tǒng)以及類神經(jīng)元芯片、處理器、存儲(chǔ)器和計(jì)算機(jī)。如果能夠更進(jìn)一步研發(fā)出類人腦的新型計(jì)算模型和新的類似神經(jīng)元的處理硬件并將他們應(yīng)用到新一代計(jì)算機(jī)上，則有可能做出更優(yōu)秀、更高效的計(jì)算機(jī)，他們的信息處理能力也將更接近人類并且能耗更低效率更高。此外，腦機(jī)智能技術(shù)發(fā)展還要開(kāi)發(fā)類腦智能體和智能機(jī)器人、大數(shù)據(jù)信息處理和計(jì)算新理論。

蒲慕明院士特別談到了目前科學(xué)界最為熱門、公眾也格外關(guān)注的腦機(jī)接口（brain-computer interface，BCI）。腦機(jī)接口技術(shù)是在腦與外部設(shè)備之間建立通訊控制通道，用大腦的生物電信號(hào)操控外部設(shè)備并反饋調(diào)控腦活動(dòng)，通過(guò)腦－機(jī)－環(huán)境－腦的反饋式交互實(shí)現(xiàn)“腦控”與“控腦”。

蒲慕明院士強(qiáng)調(diào)，腦機(jī)接口還有一些重大的科學(xué)問(wèn)題有待解決。第一個(gè)問(wèn)題是如何解碼大腦信息，也就是需要知道大群神經(jīng)元的電活動(dòng)規(guī)律和其所代表的意義。目前通過(guò)收集腦波信息再用人工智能算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，解碼的腦波信息解碼只是“表面”解碼，并不是真正理解了大腦活動(dòng)，并且需要大量精準(zhǔn)標(biāo)記的數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法才能學(xué)會(huì)“表面”解碼。第二個(gè)問(wèn)題是如何調(diào)控大腦，即要調(diào)控與腦功能相關(guān)的特定神經(jīng)環(huán)路電活動(dòng)，也需要理解神經(jīng)環(huán)路的工作原理，否則就是盲目調(diào)控。

蒲慕明院士介紹，我國(guó)科學(xué)家已研發(fā)出具有高度組織相容性的柔性電極陣列，可以做到高時(shí)空精度、高通量地記錄動(dòng)物大腦的電活動(dòng)，微創(chuàng)、集成化、可植入的小型超柔電極－芯片系統(tǒng)將可應(yīng)用于腦疾病閉環(huán)精細(xì)調(diào)控。我國(guó)科學(xué)家未來(lái)將研發(fā)基于柔性電極的閉環(huán)腦機(jī)接口，用于治療運(yùn)動(dòng)與視覺(jué)障礙的患者。柔性電極電極也可應(yīng)用到大腦網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)研究，利用超柔電極優(yōu)勢(shì)做多腦區(qū)、大范圍、長(zhǎng)期的信號(hào)采集將有助于理解腦認(rèn)知和學(xué)習(xí)過(guò)程中大腦神經(jīng)環(huán)路的工作原理。蒲慕明院士介紹，上海腦科學(xué)與類腦研究中心的團(tuán)隊(duì)目前已實(shí)現(xiàn)將柔性電極陣列植入清醒獼猴，可猴子在完全清醒的情況下同時(shí)記錄上千個(gè)通道，每個(gè)通道能夠觀測(cè)到單一神經(jīng)元的放電，現(xiàn)在已經(jīng)得到了大量信息，進(jìn)一步需要解碼這些數(shù)據(jù)，解析其內(nèi)涵。

蒲慕明院士認(rèn)為，對(duì)大腦的結(jié)構(gòu)和功能的理解是人類認(rèn)識(shí)世界、認(rèn)識(shí)自我的最終挑戰(zhàn)，神經(jīng)科學(xué)將是21 世紀(jì)最活躍的前沿基礎(chǔ)學(xué)科，要成為真正的科技強(qiáng)國(guó)，中國(guó)科學(xué)家必須要解決世界科技前沿問(wèn)題和重大問(wèn)題，做科學(xué)領(lǐng)域的“探險(xiǎn)家”。近年來(lái)很多的青年科學(xué)家海外留學(xué)歸來(lái)，未來(lái)年輕人是很有希望的。

專家簡(jiǎn)介

蒲慕明，中國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)科學(xué)院外籍院士、教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任、上海腦科學(xué)與類腦研究中心主任。神經(jīng)生物學(xué)家和生物物理學(xué)家，主要從事神經(jīng)生長(zhǎng)和軸突導(dǎo)向、神經(jīng)元極性建立和神經(jīng)元遷移等領(lǐng)域研究。