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再论脑研究的核心问题是脑内信息过程

已有 2070 次阅读 2016-5-17 16:44 |个人分类:神经信息学|系统分类:观点评述

再论脑研究的核心问题是脑内信息过程

如何开展神经信息学研究的讨论(4)

童勤业

1.引言

(在看此篇文章以前,请先看附件).

脑研究与基因研究不一样,”基因”基本理论已经有了,各个人可以按自己特点开展应用研究,例如我国可能在某些疾病上超过国外,美国可以在农业上领先世界,欧洲可能在遗传或健康上超过各国等等。各国都会有自己特色,这些研究都会取得巨大成果,而且成果可以互补.脑研究就是不一样,它是机理性研究,为什么现在要提出脑科学研究,是满足某些专家个人追求真理的爱好?为什么不提生命起源,这个课题不是更吸引人,是社会需要?为什么不提癌症研究,可能癌症研究更能引起人们关注,问题是哪一国家取得脑科学突破,它在信息科学、人工智能都会远超其他各国。这是发达国家都在竞争的当今知识领域的至高点。脑科学如何研究,这是要从科学本身需要去考虑。不存在各国会有自己特色。某些人认为,从疾病入手,这样虽然没有达到揭开脑内信息机理,至少对某些疾病治疗有好处,至少也有些局部成果。我们认为这些想法十分有害.它会使我们放弃对本质问题的追求,这种研究与医院中脑内科和脑外科研究路线没有两样.

应该看到脑科学研究每一进展都会对信息科学带来突破,带动智能技术发展.如果对信息科学发展毫无关系,就应该考虑自己研究方向是否对头.最近计算机在中国围棋上战胜棋手,问题是计算机中程序有否突破性进展,从报道上看没有,似呼有些新技术,如多层次和深层次网络技术,即使是这样,对每一层次信息处理方法还是老方法.则说明没有新概念,这种比赛与十几年前计算机在国际象棋上战胜棋手一样毫无意义.

如果认为完不成脑研究也无所谓,反正脑太复杂,不会受到指责.这种思想是非常错误的.

国外的脑研究虽然也带有盲目性,但是在基础方面已经与我国拉开距离,这就要仔细想想。钱浪费可以先不考虑,时间上大大落后这就要吃大亏。美国的大脑连接组计划,他能搞清脑内神经连接线路,这就是一个重大基础,而且在这研究中会有很多先进测量仪器产生.不管以后研究结果如何,连接图总是需要的,这些信息通路测量技术还是要的,

我们没有看到中国脑计划如何,现在只从网上看到的一些透露,不知真假,不管如何,我们暂且以它为背景(见附件)来讨论我国脑计划,为讨论方便称附件中提到的计划为"一计划".我们看看"一计划",投了大量钱以后能留下那些必不可少的基础.似乎看不出..

2.研究总要有个目的,范围和阶段性成果.

离开目的研究脑,就会引入盲目,我国脑计划究竟要完成仕么?.好像看不出.文章指出该项目有望建立一个脑图像国家平台,一个有关大脑功能失调的血液生物库和大脑生物库以及大脑健康训练和教育中心,,这就奇怪了,脑内神经细胞之间连接靠脑成像行吗?有这样高分辨率成像技术吗?脑血液研究也算是脑科学吗?脑内肿瘤形成是否也算脑科学,康复和教育也算脑科学,不是很奇怪吗?康复和教育中心不是马上可建吗,?而且我国康复医院还不少呢.计划中康复中心究竟与现有中心有何本质区别? 有什么新方法不能在这些原有医院进行?或者在原有基础上扩展一些不行吗?这些也属于脑计划?我知道提这样问题会得罪很多人.当然,任何领域多少与脑总有些关系,而且目前谁也说不清这里关系.但是作为国家计划应该有明确目标和实现的路线图,即使计划不对,实现以后也必须有一个不对的结论.至少以后不会犯此错误.如果研究以后还是一个是事而非.那么这些科研还是不做为好.

确实这样的情况在美国,在欧洲也出现过,开始奥巴马提出脑科学研究,很多科学家反对,后来说大家都有份才取得大部分专家通过.希望中国不要出现这一现象,

3.三个层面的认知问题,核心还是信息问题

在"一计划"中提到本计划主要解决三个层面的认知问题,不管这三个层面提法是否正确,就是从这三个层面出发,好像这里的问题与信息科学近些,而与生化科学相差甚远,认知与意识搞清楚也仅仅对信息科学有用,而对生化科学毫无用处.研究智能和意识的基础知识应该是信息科学而不是生化知识.

4. "一计划"提出三个层面有什么科学根据,我们没有看到任何文献如此说法.这三个层次是如何分的,三者有否本质差异,研究方法有什么不同?这些问题作为国家大课题方面不能随便,

5. 语言是大脑的产物,研究语法结构能解开神经信息机理吗?

“一计划”第三层次就是: 对语言的认知,探究语法以及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

为什么现在的机器翻译还不行,翻译应该是计算机的强项,我们只要把基本大字典放进计算机就好,但是,人工智能发展了几十年, 为什么连翻译还不行,是语法没有统一吗?这种研究与脑有关吗?

到目前为止,大脑之间的通信唯一的方法可以说是语言和文字,但是这个方法并不很好,语言和文字是人造的,不同语言有不同文法,即使能找到共同部分,这些共同部分能代表脑内信息规律吗?在有些情况下,语言可以很确切表达意思,如说:“我有一个苹果”,这句话应该很确定。但是在另一情况下,就不一样,同样一句话各人可以有不同理解,例如"举头望明月,低头思故乡",这句话对小学3年级学生很快能理解这字面意思,但是对饱经风霜的老人来说,看到这句话可能会留下眼泪.同样一句话对同一个人,不同时期理解也会不一样。而且随着科技和经济发展,语法本身也在变,中文的古文现代人可能大部分人不懂。这种不一样造成信息传递的极大困难.

人们想用计算机原理去理解脑,想从语法结构去理解脑,这样的的研究途径对大脑研究有意义吗?国外好像也没有这样提法。为什么我国这样特殊。

6.  脑内信息应该集中在神经回路中

生物学家都明确在脑中传递信息的是神经脉冲序列,如果真是这样,为什么我们不能主攻神经回路,主攻神经编码,读懂神经脉冲序列.如果连这一点也做不到,谈智能和意识研究不就是成空话了.

有些人很轻视神经回路研究,认为这是很小的一角,有人怀疑现在的人工神经网络能否产生智能,确实现代计算机和人工智能已经发展了几十年进展不大,还是远离脑的机理,这些确实是事实,我也这样认为。但是盯住神经网络完全是必要的,这是关键的基础.我们认为离开回路来研究神经信息将会一事无成.

应该努力分析研究神经网络与现有的信息科学中采用的网络有什么本质差异.如果看不出本质差异,说明我们根本不理解生物神经网络,要知道在这个问题上每前进一步都会给信息科学带来重大进展和突破.只有这样才算是一步一个脚印地前进.

7.不懂脑内信息也很难分清疾病本质.

即使是研究脑的疾病,对脑的信息过程不熟悉,也会影响对疾病认识,从而影响对疾病研究.美国20135月美国精神医学会(APA)发布了第5版《精神疾病诊断与统计手册》(Diagnostic Statistical Manual of Mental DisordersDSM)),这次修订长达14年,很可惜这本修订没有提供任何与精神障碍相关的生物学背景。为什么会这样呢?DSM没有提供相关的生物学背景,这也正好证明这种疾病很难有这方面背景材料。有了脑内信息学的考虑,就会注意到脑内信息方面疾病,应该说脑内存在两种类型疾病,一是器质性疾病,另一类是非器质性疾病,非器质性疾病生化指标都很正常,它是信息过程中出现毛病。为什么美国的DSM没有生物学的背景材料,是测量技术还不行吗?我们可否换一角度来看这一问题,这些疾病压根就没有什么生化指标异状,只是信息过程出现了疾病,中国有句老话:心病还需心来医,首先这样事实存在吗?如存在,是说明非器质性疾病存在?这一问题可能要等脑内信息过程都了解了以后才能有正确回答.脑内意识总是慢慢形成的,形成过程不会出错吗?形成错误的意识就是精神方面的疾病.

8. "一计划"与国际上脑计划的不同.

2013年春季,欧盟和美国分别启动和准备启动两个耗资巨大的脑研究计划——欧盟的“人脑计划”(Human Brain Project, HBP)和美国的“尖端创新神经技术脑研究计划”(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies,BRAIN)。HBP为期10年,拟耗资三十多亿欧元,是从一个已由瑞士资助了多年的“蓝脑计划(Blue Brain Project)”发展而来。而美国的脑研究计划2014年的年度投资拨款也在1亿美元以上。欧共体的脑计划,很明确重心是在神经回路中,美国也是一样.

。欧共体和美国确实也是这样在做的,尽管他们并不很成功,但是这个方向是对的.而"一计划",是从疾病开始,从人工智能开始(后者还会另文讨论),对脑内信息如何变化,如何传输,信息网络结构等认为这是次要的.即使有人能彻底治好帕金森,但是它对神经信息研究可能毫无用处.

我们确实认为研究智能和意识不能离开神经回路.但是在脑中找克林顿细胞、珍妮佛细胞或脑内寻找自私回路和”焦虑”回路等也是使人担忧。不研究神经编码,不研究神经脉冲序列,跳过`这些环节,直接寻找功能回路与行为对应,这种做法也是徒劳的.其实克林顿细胞、珍妮佛细胞的实验已有十几年了,接着的工作现在是找“自私”和“焦虑”回路等(从细胞发展为回路)。而且这类文章照样在权威杂志中发表.确实使人焦虑.如果我们能把每人的脑中“自私”和“焦虑”回路都破坏掉,世界可能真的达到和谐了。

9.结束语

写此文章会得罪很多人,也许我是杞人忧天,但是我深深感到“一计划”可以完全离开神经回路进行研究,完全不考虑神经回路中流通的信息如何。

文章只是想到几点写几点,很不系统.条理也差.请原谅.

从现在看,我国和国外在神经信息研究方面水平相差不大,如果像"一计划"那样重心放在疾病中,要知道脑疾病是脑不正常状态,神经信息是脑在正常状态下活动的机理,后者比前者要难得多。`按"一计划"也许我们会在脑疾病上出很多成果,在康复和教育上出很多国际一流的水平的技术,但我担心我国可能离神经信息越来越远.

希望此文能引起辩论, 究竟是“一计划”正确还是本文有些道理。我们还将会再发文章.

 

 

 

 

参考资料:  略

 

 

 

 

 

 

 

附件1

中国“脑科学计划”即将上线 优势何在?

2015年11月04日 09:21新浪科技微博

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在经过国内专家2年时间内数次讨论及论证后,预计中国脑计划很快会启动,最晚可能不会迟于2016年

 

 

 

 

 

 

  文章来源:“知识分子”微信公众号

  “我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少”。20多年前,英国生物学家、DNA双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克(Francis Crick)如此抱怨。

  时至今日,大脑依旧是人类认知的黑洞。人类大脑大约有1000亿个神经元,它们如何连接以及连接错误导致精神错乱或是出现严重的神经性疾病,目前人类并没有弄清楚其中的奥秘。紧接着,全球人口老龄化时代的到来,阿尔茨海默综合症、帕金森综合症以及亨廷顿综合症等神经衰退性疾病日益成为人类的健康负担,人类迫切地希望知道:大脑是如何工作的。

  两年前,欧美科研强国纷纷吹响了探索大脑奥秘的号角。2013年4月2日,美国总统奥巴马宣布启动脑科学计划(BRAIN Initiative),欧盟、日本随即予以响应,分别启动欧洲脑计划(The Human Brain Project)以及日本脑计划(Brain/Minds Project),国内科研圈亦对此反响强烈,就在大家原本以为中国脑计划也会提上议程时,激烈的讨论之后却是归于平静。

  直到最近,“中国脑计划”终于有了上线的时间表。2015年10月24日,在深圳国际基因组学大会上,根据中国科学院神经科学研究所所长、中国科学院外籍院士蒲慕明的报告介绍,“中国脑计划(China Brain Project)”不久会公布。

  “中国脑计划”:脑科学与类脑研究

  据了解,“中国脑计划”的名称为“脑科学与类脑科学研究”(Brain Science and Brain-Like Intelligence Technology),主要有两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究以及以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究。

  这项由中国科技部、国家自然基金委牵头的脑科学计划,在经过国内专家2年时间内数次讨论及论证后,于2015年年初已向主管部门提交,预计中国脑计划很快会启动,最晚可能不会迟于2016年。根据蒲慕明介绍,该计划将作为我国六个长期科学项目工程中的一个重要项目,长期资助,资助时间长达15年(2016-2030年),至于资助力度有多大,目前尚不得知。

  “中国脑计划”主要解决大脑三个层面的认知问题:1)大脑对外界环境的感官认知,即探究人类对外界环境的感知,如人的注意力、学习、记忆以及决策制定等;2)对人类以及非人灵长类自我意识的认知,通过动物模型研究人类以及非人灵长类的自我意识、同情心以及意识的形成;3)对语言的认知,探究语法以及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

中国脑计划分为脑科学以及类脑科学两部分

  蒲慕明称,该计划有望帮助我们从大脑图谱到大脑认知(From Mapping to Understanding)这一过程有一个广泛的理解。我们不仅能区分大脑不同区域的细胞类型,同时对大脑不同区域的功能结构,大脑细胞之间的联结也有一个全方位的认识。大脑认知则体现在,有关大脑细胞形成节点的分子以及遗传因素,脑活动的形成以及行为产生的机理等方面。

  脑计划对我国基础脑科学技术研究平台有很大的提升,这些技术体现在神经标记和神经环路示踪技术、大脑成像技术、神经调节技术、神经信息处理平台等方面。此外,该项目有望建立一个脑图像国家平台,一个有关大脑功能失调的血液生物库和大脑生物库以及大脑健康训练和教育中心,对于基础脑科学研究来说,由此带来的长尾效应非常明显。蒲慕明也强调,中国执行脑计划拥有诸多方面的优势,例如中国灵长类动物种类和数量都非常丰富,在非人灵长类脑疾病模型上也处于世界领先地位。

  除了能促进基础脑科学外,“中国脑计划”有益我们对大脑疾病的探索。该计划一旦落实,未来我们有望通过分子、影像以及相关标记物,即可在大脑疾病的早期诊断和干预上发挥重要作用,通过大脑疾病的遗传、表观遗传以及病理性功能失调等方面的研究,掌握大脑疾病的发生机制。我们日常常见的脑功能障碍疾病,如自闭症、心理障碍、抑郁症、上瘾以及神经衰退性疾病阿尔茨海默综合症,帕金森等疾病是这项计划首先要攻克的目标。

  类脑科学研究,则主要应用于人工智能技术的研发上。通过类人脑神经网络模型和计算方法的建立以及通过类脑计算、处理以及存储设备技术的研究,有助于我们对新一代人工智能机器以及类脑机器人等项目的开发。尽管包括霍金、比尔·盖茨以及马克斯在内的业内知名人士,忧虑人工智能的发展,但是这没能阻止人工智能如火如荼地发展。“中国脑计划”对这一领域显然很重视,蒲慕明表示,这一领域多学科的结合能更好地理解脑科学以及人工智能技术。

  事实上,上海脑计划已先于“中国脑计划”启动。2015年3月27日,由上海科委主导,由复旦大学等十多家单位共同参与的“上海脑科学与类脑智能发展愿景”项目顺利启动。根据复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院院长冯建峰在“2015浦江创新论坛”上表示,上海脑计划未来主要目标在如下几个方面:解析复杂数据、模拟脑工作,探究记忆、学习、决策等原理,模拟智能交互,大数据挖掘,智能医疗诊断等方面。如此看来,上海脑计划与即将出炉的“中国脑计划”的发展目标如出一辙。

  欧美及日本雄心勃勃的脑计划

  两年前,美国政府受人类基因组计划影响,启动探索人类大脑奥秘的脑计划,其全称为“通过推动创新型神经技术开展大脑研究”计划,该项目旨在通过创新型技术的开发以及应用,从而能更好地理解大脑的功能特征,帮助人类攻克阿尔兹海默综合症、帕金森综合症以及其他大脑顽疾。该计划去年获得美国国立卫生研究院(NIH)4600万美元的资助后,今年10月1日,第二轮8500万美元的资助计划也已启动。

  欧洲脑计划紧随美国之后启动,该计划联合欧洲26个国家、数百个实验室,预计耗时10年,耗资12亿欧元。事实上,早在2005年,由瑞士科学家Henry Markram牵头的蓝脑计划(Blue Brain Project)就已启动。不过欧洲大陆的脑科学研究由蓝脑计划过渡到脑计划并非顺风顺水,很多科学家批评欧洲脑计划顶层设计存在缺陷,因为目前我们仍缺乏神经元之间的联结数据以及很好的假设模型。此外,也有科学家担忧欧洲脑计划可能对其他基础科研经费获取方面产生不利影响。或许这些也是我国启动脑科学项目时值得借鉴的经验。

  日本政府也对脑科学研究兴趣浓厚,紧随美国和欧盟之后,宣布启动日本脑计划。该计划为期10年,由日本理化学研究所(RIKEN)主导完成,旨在理解大脑如何工作以及通过建立动物模型,研究大脑神经回路技术,从而更好地诊断以及治疗大脑疾病。

  脑科学研究是一个涉及多种学科融合、多个部门合作的大科学项目。它对我们更好地了解人类的大脑如何工作,认识人类心理,以及神经性疾病大有裨益。相信不久的未来,紧绷在很多神经生物学家心里的“克里克的拷问”会得到释然,我想那一刻也是人类攻克神经性疾病的时候。也许我们不知道这究竟需要多长时间,至少人类已经踏上探索大脑奥秘的漫漫征途。(文 | 叶水送)

  资料:各国脑计划网站

  美国的脑计划:http://braininitiative.nih.gov/

  欧洲的大脑计划:https://www.humanbrainproject.eu/

  日本脑计划:http://brainminds.jp/en/

  大脑连接组:http://www.humanconnectome.org/

 

 



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