脑信息科学：概念、内容与挑战.pdf

1、 卷 期 年 月 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 ： 收 稿 日 期 ： ， 录 用 日 期 ： 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （ ） 中 国 生 物 医 学 工 程 学 会 会 员 （ ， ） 通 信 作 者 （ ） ， ： 编 者 按 岁 末 ， 我 刊 特 邀 中 国 生 物 医 学 工 程 学 会 副 理 事 长 、 电 子 科 技 大 学 生 命 科 学 与 技 术 学 院 院 长 尧 德 中 教 授 为 我 刊 撰 写 评 述 ， 非 常 感 谢 尧 教 授 接 受 我 们 的 邀 请 。 脑 信 息 科 学 ： 概 念 、 内 容 与 挑 战 尧 德

2、 中 （ 电 子 科 技 大 学 信 息 医 学 研 究 中 心 神 经 信 息 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 成 都 ） 摘 要 ： 脑 科 学 是 公 认 的 科 技 前 沿 ， 由 于 其 内 容 的 博 大 精 深 ， 人 们 根 据 相 关 内 容 涉 及 的 空 间 尺 度 或 研 究 视 角 的 不 同 ， 定 义 了 一 系 列 的 分 支 学 科 ， 如 细 胞 神 经 生 物 学 和 计 算 神 经 科 学 。 基 于 信 息 科 学 的 大 脑 研 究 与 应 用 ， 正 在 形 成 一 个 极 富 朝 气 与 活 力 的 新 分 支 学 科 脑 信 息 科 学 （

3、 ） ， 其 主 要 内 容 包 括 脑 信 息 获 取 、 脑 信 息 解 码 、 和 脑 信 息 应 用 个 方 面 。 列 举 这 个 方 面 的 一 些 具 体 内 容 ， 探 讨 脑 信 息 科 学 的 一 些 机 遇 与 挑 战 。 关 键 词 ： 脑 信 息 科 学 ； 信 息 获 取 ； 信 息 解 码 ； 脑 信 息 应 用 ； 脑 计 划 中 图 分 类 号 ； 文 献 标 志 码 文 章 编 号 （ ） ， （ ， ， ， ， ） ： ， ， ， ： ； ； ； ； 背 景 脑 科 学 覆 盖 了 从 微 观 的 生 物 分 子 、 神 经 细 胞 尺 度 到 宏 观 的

4、 大 脑 系 统 尺 度 （ 见 图 （ ） ） ， 以 及 处 于 两 者 之 间 的 介 观 尺 度 ， 即 神 经 网 络 尺 度 。 每 个 尺 度 负 责 的 主 要 功 能 不 同 ， 研 究 的 手 段 也 不 相 同 。 在 微 观 尺 度 上 ， 主 要 用 分 子 生 化 、 电 生 理 、 光 学 显 微 和 电 子 显 微 技 术 等 方 法 去 研 究 ； 在 宏 观 尺 度 上 ， 主 要 有 脑 电 、 脑 磁 、 磁 共 振 和 行 为 分 析 技 术 。 微 观 分 析 面 对 的 主 要 是 一 些 离 体 的 标 本 ， 因 此 大 多 属 于 有 创 、

5、 非 原 位 的 研 究 ， 但 它 可 以 深 入 到 基 因 、 蛋 白 分 子 层 面 ； 宏 观 研 究 可 在 无 创 、 原 位 条 件 下 进 行 ， 大 多 直 接 针 对 现 实 人 群 ， 因 而 有 更 明 显 的 现 实 意 义 。 处 于 微 观 宏 观 之 间 的 介 观 尺 度 ， 目 前 还 没 有 十 分 有 效 的 观 测 方 法 ， 基 于 模 型 和 计 算 的 方 法 是 当 前 的 主 要 手 段 ， 这 个 层 次 是 沟 通 微 观 宏 观 研 究 的 桥 梁 ， 因 而 也 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 卷 具 有 十 分 重 要 的

6、 意 义 。 三 个 层 次 的 另 一 个 差 异 体 现 在 ： 微 观 层 次 的 研 究 主 要 受 生 物 学 机 制 的 约 束 ， 宏 观 层 次 上 的 研 究 主 要 受 信 息 学 机 制 的 约 束 ， 介 观 层 次 的 工 作 则 更 多 的 是 受 一 些 数 学 物 理 规 律 的 约 束 。 针 对 上 述 因 研 究 的 空 间 尺 度 的 不 同 而 出 现 的 差 异 ， 形 成 了 以 尺 度 为 划 分 边 界 的 脑 科 学 的 四 大 核 心 分 支 学 科 ： 细 胞 神 经 生 物 学 、 系 统 神 经 生 物 学 、 计 算 神 经 生 物

7、 学 和 认 知 神 经 科 学 。 “ 工 欲 善 其 事 ， 必 先 利 其 器 。 ” 对 任 何 一 个 学 科 ， 研 究 工 具 的 重 要 性 是 不 言 而 喻 的 ， 脑 科 学 也 不 例 外 。 事 实 上 ， 如 果 以 采 用 的 研 究 工 具 来 重 新 审 视 脑 科 学 （ 见 图 （ ） ） ， 则 会 有 另 一 番 景 象 ： 以 数 学 为 主 要 工 具 的 是 “ 计 算 神 经 科 学 ” 或 “ 神 经 计 算 科 学 ” ， 以 物 理 学 为 主 要 工 具 的 则 有 “ 脑 电 学 ” 、 “ 脑 磁 学 ” ， 以 化 学 或 生 物

8、 学 为 主 要 方 法 的 则 是 “ 神 经 生 物 学 ” ， 以 心 理 学 、 影 像 学 为 手 段 的 为 “ 认 知 神 经 科 学 ” 。 据 此 可 以 清 晰 地 看 到 ， 如 果 是 用 信 息 科 学 作 为 主 要 研 究 手 段 ， 那 就 是 “ 脑 信 息 科 学 ” 。 为 什 么 脑 信 息 科 学 需 要 作 为 一 个 单 独 的 学 科 来 发 展 ？ 事 实 上 ， 信 息 科 学 的 发 展 虽 然 比 物 理 学 、 数 学 、 化 学 甚 至 生 物 学 等 基 础 学 科 晚 ，但 在 今 天 的 整 个 学 科 架 构 中 ， “ 物

9、质 、 能 量 、 信 息 ” 已 被 认 为 是 构 成 这 个 世 界 的 三 大 要 素 ， 所 以 信 息 科 学 已 经 处 于 与 其 他 主 要 基 础 学 科 同 等 重 要 的 地 位 ， 人 类 的 生 命 ， 当 然 包 括 人 类 的 大 脑 ， 实 质 就 是 “ 物 质 、 能 量 、 信 息 ” 的 一 个 统 一 体 。 正 是 在 这 个 意 义 上 ， 发 展 和 建 立 脑 信 息 科 学 不 仅 必 要 ， 更 可 能 是 推 动 脑 科 学 和 信 息 科 学 跨 越 发 展 的 一 个 重 要 途 径 。 图 不 同 尺 度 或 不 同 视 角 下

10、的 脑 科 学 分 支 学 科 。 （ ） 不 同 尺 度 下 的 分 支 学 科 ， （ ） 不 同 视 角 下 的 分 支 学 科 （ ） ； （ ） 脑 信 息 科 学 具 有 十 分 明 显 而 重 大 的 现 实 意 义 ， 主 要 体 现 在 个 方 面 。 ） 在 “ 互 联 网 ” 之 后 的 新 硬 件 时 代 、 脑 智 时 代 ， 人 工 智 能 技 术 处 于 核 心 的 地 位 ， 而 脑 信 息 机 制 是 人 工 智 能 技 术 的 思 想 源 泉 ， 因 而 将 在 其 中 扮 演 非 常 重 要 的 角 色 。 欧 洲 脑 计 划 （ ， ） 选 择 以 脑

11、模 拟 为 核 心 ， 集 中 体 现 了 欧 洲 科 学 家 对 这 一 领 域 发 展 方 向 和 其 经 济 社 会 价 值 的 判 断 。 ） 随 着 经 济 社 会 的 发 展 ， 健 康 尤 其 是 脑 健 康 水 平 逐 步 成 为 一 个 社 会 进 步 程 度 的 标 志 。 据 估 计 到 年 ， 脑 疾 病 负 担 将 占 医 疗 总 负 担 的 左 右 ， 因 此 脑 疾 病 机 制 研 究 已 成 为 十 分 紧 迫 的 课 题 。 在 过 去 几 十 年 中 ， 国 际 上 投 入 了 很 大 的 人 力 、 财 力 ， 主 要 基 于 神 经 生 物 学 的 思

12、路 去 寻 找 分 子 靶 点 ， 希 望 找 到 靶 点 之 后 再 设 计 针 对 性 的 药 物 去 治 疗 相 关 疾 病 。 但 这 方 面 的 工 作 在 过 去 几 十 年 都 不 很 成 功 ， 很 多 国 际 大 企 业 的 相 关 研 究 纷 纷 宣 告 失 败 ， 这 也 是 美 国 启 动 脑 计 划 （ ， ） 的 主 要 背 景 之 一 。 该 计 划 的 核 心 内 容 是 “ 脑 信 息 获 取 ” ， 目 的 是 从 信 息 学 的 角 度 来 重 新 认 识 大 脑 ， 以 找 到 “ 解 码 脑 信 息 ” 的 新 的 突 破 口 。 ） 脑 信 息 科

13、学 研 究 也 有 很 重 要 的 国 家 安 全 价 值 ， 例 如 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局 （ ， ） 一 直 在 推 动 的 脑 机 交 互 或 脑 机 融 合 技 术 都 有 赖 于 脑 信 息 科 学 的 发 展 。 综 上 可 见 ， 在 脑 科 学 研 究 中 ， 充 分 发 挥 信 息 科 学 的 作 用 正 在 成 为 国 际 上 的 一 个 共 识 。 可 以 认 为 ， 脑 信 息 科 学 研 究 不 仅 能 满 足 科 学 家 的 好 奇 心 ， 也 符 合 全 人 类 脑 健 康 的 重 大 需 求 ， 因 而 必 将 获 得 多 方 面 的 通

14、力 支 持 ， 这 似 乎 预 示 了 它 已 处 于 取 得 重 大 突 破 的 转 折 点 。 脑 信 息 科 学 的 内 容 信 息 科 学 是 以 信 息 的 运 动 规 律 （ 获 取 、 传 递 、 加 工 ） 和 应 用 方 法 为 主 要 内 容 的 科 学 ， 其 支 柱 为 信 息 论 、 系 统 论 和 控 制 论 。 据 此 可 以 得 出 ， 脑 信 息 科 学 至 少 应 包 括 脑 信 息 获 取 、 脑 信 息 解 码 （ 脑 功 能 与 脑 疾 病 的 信 息 机 制 ） 和 脑 信 息 应 用 （ 类 脑 信 息 技 术 （ ） 、 脑 启 发 信 息 技

15、术 （ ） 、 脑 机 交 互 技 术 （ ） 、 脑 信 息 医 学 转 化 ） 个 方 面 （ 见 图 ） 。 那 么 脑 信 息 科 学 到 底 包 期 尧 德 中 ： 脑 信 息 科 学 ： 概 念 、 内 容 与 挑 战 括 哪 些 内 容 ？ 这 首 先 取 决 于 拥 有 什 么 样 的 脑 信 息 检 测 （ 传 感 ） 技 术 ， 现 有 的 技 术 已 经 覆 盖 了 从 行 为 、 力 （ 超 声 ） 、 热 （ 红 外 ） 、 电 、 光 、 生 化 、 代 谢 到 基 因 的 几 乎 所 有 方 面 或 层 次 ， 当 然 也 超 出 了 “ 神 经 元 ” 或 “

16、神 经 网 络 ” 层 次 ， 因 此 脑 信 息 科 学 也 不 是 一 般 意 义 上 的 神 经 信 息 科 学 。 在 获 取 了 这 些 脑 信 息 后 ， 需 要 面 对 的 就 是 脑 信 息 的 解 释 问 题 ， 涉 及 正 常 脑 功 能 和 异 常 脑 疾 病 的 所 有 方 面 ， 其 本 质 是 对 脑 机 制 的 认 识 问 题 ； 最 后 是 如 何 验 证 对 脑 信 息 解 释 的 正 确 性 ， 这 个 问 题 可 在 一 定 意 义 上 归 结 为 对 脑 功 能 的 模 拟 与 模 仿 ， 甚 至 是 脑 疾 病 干 预 调 控 和 脑 功 能 增 强

17、等 问 题 。 图 脑 信 息 科 学 的 内 容 脑 信 息 获 取 包 括 两 个 方 面 ： 一 为 仪 器 ， 二 为 方 法 。 近 年 来 ， 在 美 国 脑 计 划 （ ） 的 驱 动 下 ， 脑 信 息 获 取 新 技 术 不 断 涌 现 ， 包 括 透 明 脑 技 术 （ ） 、 光 遗 传 技 术 （ ） 、 高 场 （ 、 ） 脑 成 像 技 术 、 柔 性 电 极 技 术 、 基 因 编 辑 技 术 （ ， ） 等 。 国 内 在 这 方 面 的 工 作 包 括 高 分 辨 光 学 切 片 成 像 技 术 、 宽 频 脑 电 技 术 、 脑 电 信 息 融 合 技 术

18、、 脑 电 零 参 考 技 术 等 。 为 了 促 进 脑 信 息 方 法 的 发 展 ， 等 创 办 了 杂 志 ， 旨 在 推 动 与 人 脑 和 认 知 相 关 的 计 算 技 术 的 发 展 。 脑 信 息 科 技 的 探 索 性 应 用 在 欧 盟 脑 计 划 （ ） 中 有 比 较 系 统 的 展 开 。 该 计 划 的 第 一 个 方 面 是 强 调 通 过 对 正 常 脑 功 能 的 模 拟 ， 以 探 索 大 脑 的 内 在 认 知 机 制 ， 比 如 通 过 “ 模 拟 人 或 动 物 ” 与 “ 真 实 人 或 动 物 ” 的 多 方 面 的 对 比 ， 探 索 认 知

19、行 为 的 因 果 机 制 ； 第 二 个 方 面 是 模 拟 疾 病 的 脑 机 制 ， 试 图 通 过 对 正 常 健 康 脑 到 疾 病 脑 的 病 理 演 变 ， 并 结 合 药 物 动 力 学 进 行 全 系 统 的 模 拟 ， 有 可 能 找 到 疾 病 的 生 物 学 标 志 ， 筛 选 出 新 的 靶 点 ， 以 探 索 新 药 的 疗 效 或 者 副 作 用 ； 第 三 个 方 面 是 基 于 神 经 形 态 学 的 模 拟 ， 目 标 是 要 发 展 类 人 的 控 制 技 术 ， 比 如 汽 车 的 自 动 驾 驶 技 术 。 国 内 在 类 脑 方 面 也 有 许 多

20、的 进 步 ， 包 括 无 标 度 脑 波 音 乐 技 术 、 脑 机 交 互 技 术 、 类 脑 图 像 处 理 技 术 等 ， 但 系 统 性 还 不 够 。 有 关 脑 信 息 的 解 码 问 题 ， 其 实 就 是 认 知 或 疾 病 的 脑 信 息 机 制 问 题 。 第 一 个 典 型 的 问 题 是 神 经 编 解 码 理 论 问 题 ， 目 前 的 频 率 编 码 、 时 间 编 码 、 模 式 编 码 、 协 同 编 码 等 都 未 能 很 好 地 呼 应 神 经 电 生 理 领 域 已 经 堆 积 的 大 量 数 据 的 需 要 ， 或 者 说 编 解 码 理 论 的 发

21、展 还 处 于 相 对 滞 后 的 状 况 。 第 二 个 是 大 脑 的 网 络 理 论 ， 现 在 人 们 普 遍 认 识 到 大 脑 内 部 是 网 络 化 的 ， 并 进 一 步 认 识 到 该 网 络 是 分 层 次 的 ， 具 有 “ 小 世 界 ” 属 性 ， 存 在 “ 富 人 俱 乐 部 ” 现 象 。 第 三 个 就 是 大 脑 的 “ 薛 定 谔 方 程 ” 或 者 “ 爱 因 斯 坦 方 程 ” 问 题 ， 是 否 存 在 简 洁 的 方 程 或 原 理 在 规 范 人 们 大 脑 的 运 转 ？ 最 近 余 年 来 英 国 伦 敦 大 学 学 院 的 教 授 推 动

22、的 “ 贝 叶 斯 脑 ” 和 “ 最 小 自 由 能 原 理 ” 能 否 成 为 这 个 方 程 ？ 这 些 问 题 都 是 脑 信 息 科 学 的 核 心 问 题 。 国 内 近 年 在 脑 功 能 与 脑 疾 病 的 信 息 机 制 方 面 做 了 大 量 的 工 作 ， 包 括 失 神 癫 痫 的 双 向 调 控 机 制 、 游 戏 影 响 大 脑 中 的 脑 岛 可 塑 性 ， 以 及 有 关 脑 电 的 脑 网 络 理 论 等 。 脑 信 息 科 学 的 机 遇 与 挑 战 基 于 信 息 科 学 的 大 脑 研 究 与 应 用 所 形 成 的 脑 信 息 科 学 的 机 遇 与

23、挑 战 在 哪 里 ？ 对 此 问 题 ， 不 同 的 人 可 能 有 不 同 的 看 法 ， 但 以 下 问 题 可 能 是 比 较 公 认 的 。 ） 大 脑 的 老 化 问 题 。 这 里 面 的 核 心 是 身 体 和 脑 的 不 同 步 老 化 问 题 ， 而 脑 老 化 的 演 变 规 律 以 及 干 预 脑 老 化 进 程 的 方 法 技 术 都 是 很 重 要 的 问 题 。 在 当 今 的 医 学 体 系 中 ， 大 家 更 多 的 强 调 药 物 干 预 ， 现 在 越 来 越 多 的 人 认 识 到 药 物 干 预 不 一 定 是 最 有 效 的 方 法 ， 可 否 考

24、虑 引 入 一 些 信 息 的 思 路 、 方 法 来 进 行 干 预 。 ） 伴 随 社 会 快 速 信 息 化 而 愈 来 愈 严 重 的 重 大 神 经 精 神 疾 病 问 题 。 在 今 天 享 受 信 息 化 带 给 人 们 便 利 的 同 时 ， 也 必 须 面 对 神 经 精 神 疾 病 患 者 人 口 比 例 越 来 越 高 、 医 药 负 担 越 来 越 重 的 问 题 。 这 些 由 信 息 化 带 来 的 疾 病 ， 是 否 应 该 侧 重 于 用 信 息 的 方 法 来 进 行 调 控 ？ ） 人 脑 的 动 态 、 无 创 、 自 然 、 多 模 态 高 分 辨 成

25、像 问 题 。 这 里 面 的 每 一 个 方 面 都 非 常 困 难 ， 比 如 现 在 的 功 能 磁 共 振 的 分 辨 率 约 为 ， 而 美 国 脑 计 划 所 提 出 的 年 后 的 目 标 也 只 是 达 到 ， 能 否 用 中 国 生 物 医 学 工 程 学 报 卷 新 的 思 路 来 逼 近 这 样 的 甚 至 更 高 的 目 标 ？ ） 脑 科 学 大 数 据 问 题 。 脑 信 息 涵 盖 了 从 基 因 到 行 为 这 样 一 个 多 尺 度 、 大 规 模 的 异 构 数 据 ， 因 此 脑 信 息 问 题 是 典 型 的 大 数 据 问 题 ， 人 工 智 能 技

26、术 在 这 方 面 到 底 能 做 什 么 ？ 或 者 说 人 工 智 能 技 术 需 要 什 么 样 的 发 展 ？ 这 也 是 非 常 值 得 探 索 的 问 题 。 ） 逆 脑 、 仿 脑 问 题 。 “ 逆 脑 工 程 ” 被 美 国 工 程 院 列 为 世 纪 的 个 重 大 挑 战 之 一 。 不 管 是 “ 类 脑 （ ） ” 、 ” 仿 脑 （ ） ” 或 “ 脑 启 发 （ ） ” 技 术 ， 都 是 值 得 脑 信 息 学 者 去 努 力 的 方 向 ， 它 们 各 有 侧 重 ， 最 终 回 答 或 回 馈 社 会 的 内 容 也 不 同 ， 但 都 会 促 进 社 会

27、进 步 ， 让 人 类 生 活 得 更 好 。 总 之 ， 受 信 息 科 学 驱 动 的 脑 信 息 科 学 ， 一 方 面 得 益 于 信 息 科 学 在 信 息 获 取 技 术 方 面 的 进 步 ， 另 一 方 面 又 倒 逼 信 息 科 学 的 理 论 创 新 和 应 用 创 新 ， 以 便 人 们 能 够 更 好 地 解 释 脑 信 息 机 制 ， 开 发 脑 机 制 的 技 术 应 用 和 临 床 价 值 。 显 然 ， 这 一 学 科 方 向 的 发 展 需 要 具 有 多 学 科 背 景 、 富 有 创 新 精 神 的 科 技 人 员 的 长 期 付 出 。 在 酝 酿 中

28、的 中 国 脑 计 划 中 ， 脑 信 息 是 其 “ 一 体 两 翼 ” 规 划 （ 脑 认 知 、 脑 疾 病 和 脑 信 息 ） 中 的 一 翼 ， 说 明 这 一 学 科 方 向 也 得 到 了 中 国 科 学 家 的 高 度 重 视 。（ 致 谢 ： 本 文 内 容 曾 与 国 内 外 许 多 学 者 讨 论 ， 在 此 不 便 一 一 列 出 ， 谨 此 一 并 表 示 感 谢 ！ ） 参 考 文 献 ： ， ， ： ， ， ， ， ， ， ： 雷 旭 ， 尧 德 中 同 步 脑 电 功 能 磁 共 振 （ ） 原 理 与 技 术 北 京 ： 科 学 出 版 社 ， ， ， （ ）

29、 ， ， ： ， ， ： ， ， ， ， ， ， ， （ ） ： ： ， ， ： ， ， （ ） ： ， ， ， ： ， ， ： 尧 德 中 ， 李 建 福 ， 张 杨 松 ， 等 神 经 信 息 学 与 全 球 协 调 创 新 框 架 ： 概 念 、 现 状 及 发 展 构 想 中 国 基 础 科 学 ， ， ： 作 者 简 介 尧 德 中 ， 男 ， 博 士 ， 中 国 生 物 医 学 工 程 学 会 副 理 事 长 。 长 江 学 者 特 聘 教 授 ， 国 家 杰 出 青 年 基 金 获 得 者 ， 全 国 优 秀 教 师 。 现 任 电 子 科 技 大 学 生 命 科 学 与 技 术 学 院 院 长 、 神 经 信 息 教 育 部 重 点 实 验 室 主 任 、 神 经 信 息 科 技 部 国 际 联 合 研 究 中 心 主 任 。 主 要 研 究 方 向 ： 多 模 态 成 像 和 脑 机 交 互 技 术 及 应 用 研 究 。 先 后 承 担 自 然 基 金 重 点 项 目 、 科 技 部 课 题 、 项 目 、 教 育 部 长 江 学 者 创 新 团 队 项 目 等 余 项 。 在 国 外 重