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《文汇报》:追寻人类智能奥秘,类脑研究迎新契机

作者:姜澎来源:《文汇报》2019年1月21日发布时间:2019-01-21

过去对人脑的研究,往往是实验和理论,但人脑神经元之间的连接和沟通机制就像黑洞,难以让人一窥究竟。而在现在的复旦张江国际脑影像中心,人的梦境甚至已可解码还原成“电影”。复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰说,技术的发展使我们已能对原先“黑盒子”的运作机制略知一二。

大脑掌管着人的喜怒哀乐,也掌管着多种疾病——帕金森症、抑郁症、精神分裂症以及各类成瘾都与人脑中掌管快乐和奖赏的部位密切相关。但是,得出这一看似简单的结论,复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰教授团队却投入了十多年时间。从去年开始,冯建峰团队成果频出,并衍生出一系列实际应用:抑郁症的有效治疗已在临床得以验证;根据人脑学习功能模拟的计算已在物流领域使用,一年可为企业节约1亿元……

脑与类脑研究是全球科技发展的战略制高点,以类脑智能引领人工智能,实现人工智能普适化。国家科技创新2030重大项目已将“脑科学与类脑研究”列入启动日程。不久前,上海市“脑与类脑智能基础转化应用研究”科技重大专项启动,这也为脑与类脑研究带来新的契机。

脑与类脑研究,始于“什么是智能”的终极之问

“机器的智商究竟是多少?”从事类脑智能领域研究十余年,冯建峰一直追问的问题却很“简单”:什么是智能?

理解、模拟人类智能,创造出真正意义上的人工智能,这是科学家的终极目标。但是,理解智能并模拟智能,即便在科学界也有不同的意见。人脑一天的能耗只有15瓦,却拥有异常复杂的结构。更不用说,千万年的进化在人类天生“智慧”中烙下的信息。如何让机器“学会”如此复杂的“思考方式”?对从事类脑研究的科学家来说,患上抑郁症、精神分裂症等的“疾病脑”提供了最好的研究对象。冯建峰说:“当我们弄清楚并能够模拟大脑每一部分工作机制的时候,也许最终可以模拟人脑。”

2016年,冯建峰团队基于大数据发现,对奖励没兴趣、对惩罚太敏感是得抑郁症最根本的原因。进一步研究发现,大脑中调控睡眠质量的区域,恰恰与抑郁症患者对惩罚过于敏感的区域相同。继续推进,课题组最新发现,吸烟会降低脑惩罚功能的敏感性,喝酒则会升高对脑奖赏功能的敏感性,这与抑郁症患者的脑连接正好相反。而对精神分裂症的研究也表明,风险基因造成影响的区域,同样与奖励、惩罚的调控区域有关。

成果发表了。但冯建峰说,更深刻的科学机制仍需追问下去。“什么叫情感?我喜欢跟你在一起,就是因为我感觉得到了奖励。”其实,生物学家很早就提出“人类的进化史就是情感的进化史”,“趋利避害”是人类进化的根本推动力。但这种“情感禀赋”的机制却至今没有厘清。

如果上溯到十年前,有人说,智能和情感相关,也许很少有人认同,但现在科学恰恰证明其密切相关的可能性。“奖励和惩罚是人类情感的基础,也是目前技术条件下机器不可能有的。”冯建峰说,“我们想把这一机制弄得更清楚,也许这会是未来人工智能的一条途径。”

算法和资源先人一步,才能有领先的科研

过去对人脑的研究,往往是实验和理论,但人脑神经元之间的连接和沟通机制就像黑洞,难以让人一窥究竟。而在现在的复旦张江国际脑影像中心,人的梦境甚至已可解码还原成“电影”。冯建峰说,技术的发展使我们已能对原先“黑盒子”的运作机制略知一二。

2015年,冯建峰加入复旦大学,就开始了脑动态图谱库的建设,迄今已收集上万例脑动态图谱的数据。此后,复旦大学张江国际脑库、复旦张江国际脑影像中心先后建设,第一批影像研究设备已经入驻张江国际脑影像中心。

应用数学专业出身的冯建峰,他的课题组的另一优势就是算法。他们在青少年大脑发育与精神分裂症的关联研究中,去除了以往无法去除的数据噪音,在计算量增加超过一万倍的基础上,在100多小时内完成1600多万次的关联计算,筛选出关键基因位点。而此前,即便是在超级计算机上运行,也需要三四个月。

有了工具、算法,还必须有数据。冯建峰团队与国内各大医院合作,获取第一手临床数据,同时整合Biobank、HCP、ADNI、ABCD等世界最大规模脑数据库,成功实现了实验结果的可重复。

近期,在冯建峰领衔的市级重大专项中,就有一个宏大计划:与国内多家临床医院合作,采集包含8000例次健康人群和7000例次重大脑疾病队列的全维度脑库,其中包括抑郁症、自闭症、神经退行性疾病、脑卒中和精神分裂症五大脑疾病队列。“建成后将成为首个中国全维度脑库,也会是世界上最大的多疾病、多模态脑科学数据库。”

学科交叉为基础研究打开一扇门,又为成果落地找到路径

盘点冯建峰团队的研究,可以发现,他们的研究涉及应用数学、计算机科学、生物学、信息学、临床医学等多学科。在他看来,类脑智能研究本来就是一门新兴的交叉学科。

复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员程炜是两项抑郁症研究成果的第一作者。同样是应用数学专业出身的程炜,多年从事抑郁症研究。直到有一次,一位临床医学教师提出,临床上70%的抑郁症患者都睡不好。“我们的数据中正好也有关于睡眠质量的信息。”在这一思路的启发下,程炜开始关注抑郁症和睡眠的关系。而现在这一研究成果又在临床上进行实验。

在冯建峰看来,学科交叉打破了从理论到应用的壁垒,让他们的研究产生了一系列具有社会价值的成果。加拿大多伦多大学医学院对团队定位的导致抑郁发生的异常脑区进行刺激治疗,一个月后,临床发现改善首发抑郁症患者约46%的临床症状,对难治性抑郁症也能改善近33%的症状。团队和国家电网合作,研发了巡检机器人;也利用人工智能技术,研发了“步态识别”系统,精度已达95%。

目前,复旦大学类脑智能科学与技术研究院已是该校最国际化的研究团队之一。在这里担任教职的,有2013年诺贝尔奖获得者迈克尔·莱维特、2014年脑研究奖获得者特雷弗·罗宾斯等。该研究院已与英国剑桥大学、牛津大学、帝国理工大学,美国斯坦福大学、麻省理工学院等20余所国际著名高校、研究机构建立了研究伙伴关系。

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