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剑桥大学南京中心对程和平院士的专访回顾

2021-11-26

由剑桥大学、南京江北新区管理委员会共同主办,剑桥大学南京科技创新中心承办的剑桥南京论坛2021-脑科学与类脑研究峰会近日在南京江北新区举行。我司创始人程和平院士、陈良怡教授受邀出席线下峰会。


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峰会期间剑桥大学南京中心对程和平院士就脑科学与类脑研究进行了专访。相关采访问题如下:


近年来,世界脑科学和类脑研究取得了哪些进展?又有哪些亟待攻克的关键科学问题和挑战?


程和平:从我个人的体会而言,脑科学研究可以概括为四个字——“读”、“释”、“写”、“仿”,目前都在进展中。


读,脑是宇宙间最复杂的区域化网络,有几百亿个神经元和千倍的连接,处于动态而非静止中,其活动也不是随机的,是具备意义的。如何读取它的结构,并且获取它的功能图像,是一个研究方向;


释,对于获得的脑结构成像和功能数据,如何从不同层次理解脑的组织原理、工作原理,从最小的细胞,到一个控制抑郁的神经环路,再到整个脑,它是怎么工作的?当出现抑郁情绪时,对应的神经环路存在什么问题?这些都有待探究。


写,在释的基础上,通过物理或药理或二者结合的手段,对大脑的异常状态进行调控、或增强脑功能;


仿,主要是类脑研究,自然脑是自然界创造的最大奇迹,正如恩格斯说过,“思维是地球上最美丽的花朵”。如何将脑的原理运用到人造的智能系统上去?目前深度学习的神经网络,也仅仅运用到脑的个别原理而已,很多原理我们自然脑在日常使用,但人工智能尚未触及。



脑科学与类脑研究是一门怎样的交叉学科?作为多学科交叉领域,它有哪些发展方向和应用场景?


程和平:脑科学是科学研究的前沿、“皇冠上的明珠”。它超越生命科学,将人文、社会、计算、信息、心理等诸多学科紧密交织在一起。正在进展的脑科学研究中,我认为主要涉及四个方面:


第一部分涉及到光电子、物理、机械及生物工程技术。作为研究工具,涵盖利用电、磁、超声等技术所实现的深度脑刺激、干预、成像及调节等领域,其中光学、磁共振、脑切片等脑成像研究占据重要位置,结构成像之后,功能成像研究其实更重要,我正在主持微型双光子荧光显微镜就属于脑功能成像研究;


第二个部分是数学方法与信息技术的结合,运用数学工具对海量数据进行编码解码,从中提取出意义;


第三部分涉及临床医学、神经科学和认知科学。包括全脑模型的构造,脑作为整体是如何思维、如何感知刺激与环境;


第四部分可以扩展到人文科学。我们的文化如何形成,语言如何演变,本质都与脑相关。



相较传统脑成像技术,您所主持的“多模态跨尺度生物医学成像设施”项目有何优势? 


程和平:“多模态跨尺度生物医学成像设施”项目位于北京怀柔,它是一个通用平台,综合了几十种成像模态。作为首席科学家,我正在主持该国家级成像平台的建设工作。成立这样的大型综合性平台,好处是很明显的。


一方面,脑是比宇宙还复杂的结构,且是动态的具备功能的信息处理结构。研究这种集成在不到一升体积里的复杂结构,任何一个工具都不能包打天下,我们需要开发不同工具,包括仿真模拟的、集成的,从微观、介观、宏观不同层面,用光电磁核多种手段,全面综合地描绘我们的“脑宇宙”,任何单一手段和尺度的描绘都是局限的;


不仅如此,我们不止要“读”取脑的数据,不同尺度层次的数据间存在关联,还要通过传统数学、类脑、人工智能等技术,将获取的不同尺度的数据进行融合。为此,我们还设计了相应地大型智能数据分析处理平台


我们希望通过“成像组学”的方法,揭示多个尺度的规律和规律间的关联,这正是该平台的优势所在,也特别适合进行脑科学研究。期待更多的科学家参与建设,解决人类脑科学最关心的问题。



您主持建设的南京脑观象台,在江北新区主要进行哪些工作?


程和平:相较于北京怀柔的国家级平台强调通用需求,我在江北新区牵头的“南京脑观象台”,侧重于脑科学、专攻脑成像。我希望能够通过这个平台,促进相应领域和产业的发展。


南京脑观象台的任务是在介观尺度下研究脑的功能和结构,更加侧重于功能描绘,集成了微型化双光子荧光显微镜(FHIRM-TPM)超灵敏结构光超分辨显微镜及新型高速三维扫描荧光成像系统(VISoR)等先进装备。


其中,微型双光子荧光显微镜可以监测脑在自然运转状态下神经元网络的动态活动,观测神经元间的“时空关联”和行为的关系;超分辨显微镜能在超高时空分辨率下,对分子、突触等微观层面的结构进行长时程地精细追踪,监测结构在行为活动之后产生的变化,如可塑性、迁移等;在微型双光子荧光显微镜观测基础上,脑观象台还引进了中科大毕国强教授的VISoRs技术,对大脑进行透明化,将小范围的活动神经元进行标记,进一步揭示它们在整个脑上是如何投射的,从而建立起结构和功能、局部和宏观的联系


南京脑观象台的使命是为全国乃至全世界的脑科学家提供观测能力,为中国脑计划的介观图谱绘制提供工具,让研究人员都能用得到最先进的技术和数据分析工具,促进脑科学与类脑研究领域的发展。通过这个平台,有需求的实验室和年轻的科学家无需再购买成套设备或申请科研资金,可以带着研究问题和课题来与我们的团队交流,通过专业化流水线的运作、技术工厂式的训练,让高通量的设备和数据分析工具可获得、可负担,从而降低研究准入门槛,压缩科学问题研究周期,加速想法转化为发现的过程。这是我的梦想,江北新区正在帮助我实现这个梦想。



从您的科研实践经历来看,您认为应当怎样构建科技创新和应用转化间的良性关系?


程和平:用我的个人经历来说,中国要做原创科学,必须要有自己的仪器。在国家开展“重大科研仪器设备研制专项”的背景下,由我带领北大跨学科团队研制了微型双光子荧光显微镜,而只有通过原型机转化为产品的方式,才能让更多科学家、实验室使用到高端技术,但这是在实验室无法完成的。在校方、政府政策、资本等要素多方助力下,以及青年工作者的创业热情下,团队成立了创新公司推动这一成像装备工业化、产品化,初步获得了市场认可,计划逐步推广应用到妇产科、皮肤科、病理检验科等临床医学场景中。


其中,对于前期投入较高的科技创新,政府的支持非常重要,南京脑观象台正是在江北新区支持下,将尚未定型的产品进行alpha测试和beta测试,打造服务科学和产品迭代并举的示范区,目前产品经过长期测试,坚定了团队成果转化、服务更多科学家的信心。


程和平

中国科学院院士,北京大学未来技术学院教授,北大清华生命科学联合中心研究员,北大分子医学南京转化研究院院长 

基金委“细胞钙信号研究”创新群体学术带头人,“多模态跨尺度生物医学成像设施”(“十三五”国家重大科技基础设施)首席科学家。迄今发表论文180余篇,其中10多篇刊于Science、Nature和Cell

主要学术贡献集中在:①细胞钙信号的研究,发现“钙火花”(Calcium Spark);②线粒体活性氧的研究,发现线粒体“超氧炫”(Superoxide Flash)现象;③主持国家重大科研仪器设备研制专项“超高时空分辨微型化双光子在体显微成像系统”,开启脑科学研究的新范式。


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