【中國科學報】以腦啟智 融合慧聚
文章來源:中國科學報 陸琦     發布時間:2019-06-25

  在育嬰箱里喝奶粉、玩布娃娃、互相打鬧……還記得“中中”“華華”嗎?這兩只2017年底出生的體細胞克隆猴,讓拔根毫毛吹口仙氣就能變出一群猴子的神話接近了現實。

  而對于中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(以下簡稱腦智卓越中心)的科學家來說,歷經5年不懈努力培育出的兩只獼猴寶寶,則是他們登攀科學高峰的一枚結晶、一次見證。

  小獼猴們恐怕想不到自己出生的非凡意義——它們將為腦認知功能研究、重大疾病早期診斷與干預、藥物研發等作出貢獻;將為我國腦科學研究提供國際領先的實驗工具,服務科技創新2030—重大項目“腦科學與類腦研究”(以下簡稱“中國腦計劃”)。這是一個以腦健康和智能技術為出口的腦科學計劃,在世界上獨一無二。

  早在2015年,中國科學家就提出了“中國腦計劃”的“一體兩翼”架構,即以腦認知的神經原理為“主體”,以腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術為“兩翼”。

  就在這一年,腦智卓越中心應運而生。用腦智卓越中心主任、中科院神經科學研究所(以下簡稱神經所)所長蒲慕明的話說,這是中科院圍繞國家中長期科技發展規劃進行的布局。

  腦智攜手 搶爭先機

  4年前,5月的北京,和煦的清風徐徐拂動楊柳,帶來春末夏初的舒爽。蒲慕明一行來到中科院自動化研究所(以下簡稱自動化所)調研,接待他的是時任自動化所所長王東琳。

  當時,人工智能的浪潮席卷全球。以智能技術立所的自動化所積極布局,在前期充分研討的基礎上,向科技部、國家發展改革委、中科院等遞交了關于發展智能技術的規劃建議書,并得到相關部委和中科院的認可。

  類腦智能是自動化所的長遠戰略發展方向。在王東琳看來,智能技術之魂是類腦,機器只有像人腦一樣感知和思考,才能達到真正的智能。

  這與蒲慕明的觀點不謀而合。“既然人工智能發展的終極目標是達到人類智能水平,那么在設計計算算法和計算器件時,引入人腦神經網絡結構和工作原理就非常有用了”。

  雙方很快達成共識:腦科學與智能技術應該攜手共進。

  此時的蒲慕明還有另一重身份——中科院腦科學卓越創新中心主任。該中心是腦智卓越中心的前身。

  2014年,中科院啟動“率先行動”計劃,以研究所分類改革提綱挈領,全面推進體制機制改革。同年,以神經所為依托單位,中科院腦科學卓越創新中心正式成立,成為中科院首批成立的4個卓越創新中心之一。

  科技前沿領域是科技強國競爭的主戰場,誰占據了先機,誰就掌握了主動。從腦科學卓越創新中心的成立到智能技術的加入,都是這一戰略思想的準確詮釋。

  2013年,歐美科技強國紛紛吹響了探索大腦奧秘的號角。美國“腦計劃”致力于利用新的技術手段描繪人腦活動圖譜,以探索大腦工作機制;歐盟“腦計劃”則希望借助信息與通信技術,構建系統生成、分析、整合、模擬數據的研究平臺,從而推動人腦科學研究加速發展。

  而此前,作為國家戰略科技力量的中科院,早已敏銳把握這一重大前沿領域,于2012年啟動了戰略性先導科技專項(B類)“腦功能聯結圖譜及類腦智能研究”。該專項是中科院首批啟動的5個B類先導專項之一,早于美國、日本、歐盟等相關“腦計劃”的啟動時間。

  洞悉腦科學和類腦智能技術相互借鑒、相互融合的發展新趨勢后,中科院又開始統籌謀劃腦科學和類腦研究協同發展。

  2015年6月,中科院通過了神經所與自動化所共同謀劃的“腦科學與智能技術卓越創新中心”建設方案。

  這是國際上首次實現腦科學與智能技術領域的實質性融合,這兩個最需要交叉的領域終于“接納了彼此”,為腦智科學的發展和“中國腦計劃”的實施奠定了堅實基礎。

  “腦科學和智能技術是科學界研究的熱點,近年來分別取得了很大成就,但是相互借鑒仍較少。”腦智卓越中心副主任、自動化所所長徐波坦承,智能技術發展面臨新的瓶頸,急需從神經科學獲得啟發,發展新的理論與方法,提高機器的智能水平。同時,智能技術的發展,也有助于神經科學取得進一步突破。

  可以預見,腦科學和類腦智能的進步必將為人類帶來一個日新月異的明天。中科院院長白春禮曾在《中國科學院院刊》撰文指出:腦科學與類腦智能的研究關乎人類的健康和福祉,有望重塑醫療、工業、軍事、服務業等行業格局,提升國家核心競爭力。中科院將繼續發揮先發優勢,匯集頂尖人才,開展高水平研究,通過兩個前沿學科的相互借鑒和融合,賦予腦科學與類腦智能研究新的內涵和發展動力,推動中國腦科學和類腦智能研究在世界科研前沿占重要的一席之地。

  交叉碰撞 推陳出新

  2016年6月,蒲慕明被授予世界神經科學領域有著極高榮譽的“格魯伯獎”。消息傳來時,他正在自動化所“蹲點”。那一刻,他思考的是,如何把腦科學與智能技術交叉融合起來,如何讓不同學科因聚合而迸發出巨大的創新活力……

  腦智卓越中心是中科院交叉最多、共建單位最多的卓越中心之一。除了以兩個領域差距較大的研究所為依托,還有39家共建單位,其中包括18家中科院院屬研究機構和21家國內高校、醫院和企業,分布在上海、北京、合肥等14座城市。

  如此龐大的中心該如何運作?如何把100多個實驗室團隊聯合在一起,組成有效率的隊伍,開展重大科技問題聯合攻關?

  從體制機制上保證學科融合發展,成為腦智卓越中心的“頭等大事”。

  為促進不同學科間的深度交流,腦智卓越中心建立了“蹲點”制度,即中心成員每年必須在其他共建單位全時工作兩個星期以上,包括開課、講座和實驗。

  事實證明,不同學科間的碰撞,往往會擦出意想不到的科研靈感和創新火花。

  2019年4月,神經所研究員李澄宇和國家納米科學中心研究員方英合作,在高密度柔性神經流蘇及活體神經信號穩定測量方面取得進展,相關論文發表在《科學進展》上。這一成果就源于方英的一次“蹲點”——他們在討論中產生了把柔性電極植入腦部的想法。

  方英團隊設計電極,李澄宇團隊做生物學實驗,然后構建了1024通道高密度柔性神經流蘇電極,實現在體小鼠群體神經元電活動的穩定記錄。該技術在電極尺寸、集成密度和生物相容性方面均處于國際領先水平,在腦機接口和神經修復等領域具有重要的應用前景。

  從腦科學、類腦智能技術到腦疾病診斷與治療,腦智卓越中心涉及的領域非常廣,“蹲點”時科研人員有機會接觸到平時不太會接觸到的領域,思維變得更加開闊,甚至會改變原有的科研軌跡。

  中科院計算技術研究所研究員陳云霽、陳天石是腦智卓越中心的年輕骨干。他們在與腦科學研究人員交流中受到啟發,借鑒腦科學神經網絡的工作機理,研發出寒武紀深度學習類腦芯片,實現了大規模人工神經網絡的超高性能、超低功耗處理。

  其實,早在腦智卓越中心成立之初,就有院士建議:腦科學和智能技術這兩個學科跨度很大,學術語言不相通,要想真正融合,應該坦誠相見、互通有無。

  的確,科研合作必須建立在雙方能夠進行專業交流的基礎之上。神經所黨委副書記王佐仁感慨:“困難重重,唯有在改革中一步步消化破解。”

  “蹲點”交流是促進腦科學與智能技術深度交叉融合的方式之一。除此之外,腦智卓越中心在兩個依托單位建立互授講座,各項目團隊每年至少召開一次會議,每年11月召開中心大會及年度評估會。

  通過以上交流方式不斷產生新思想和新的突破方向,越來越多的科研人員嘗到了交叉融合帶來的“甜頭”。

  上海交通大學醫學院—中國科學院神經科學研究所“腦疾病臨床研究中心”主任熊志奇,通過團隊合作,鑒定出原發性家族性腦鈣化癥第一個致病基因MYORG,發現隱性原發性家族性腦鈣化癥的分子和細胞機制,為開發治療腦鈣化癥的新方法提供了重要基礎。

  “如果沒有臨床醫生,我可能都不知道什么是鈣化。”熊志奇聳了聳肩說,“新的方向需要合作者給你提示,很多時候自己是想不到的。”

  交叉學科中的協同合作似乎最為有效。短短幾年時間,腦智卓越中心的體制機制創新促成了很多新的研究方向,為跨學科交叉融合提供了成功范例。

  融合育人 志在未來

  年輕一代的培養是可持續發展的基石。然而,目前兼通腦科學與類腦智能技術研究的復合型人才非常短缺,制約了兩個領域的融合發展。

  為此,腦智卓越中心自成立開始,就把復合型人才培養作為核心任務與目標之一,確立了“為推動交叉研究充分交流,為培養交叉人才大膽融合”的科教融合工作思路。“這一代的研究人員是交叉,新一代腦智領域的研究生應該達到融合的目標。”蒲慕明說。

  腦智卓越中心于2016年啟動了雙導師研究生制度,即兩個不同領域的導師共同帶一個研究生,研究生每年必須在兩個研究組分別學習工作3~9個月。

  神經所2018級博士生黃晨偉很慶幸自己能享受“雙導師待遇”,除了熊志奇,上海交通大學醫學院B超專家鄭元義也是他的導師。兩位導師給他出了一個交叉方向的課題——用聚焦超聲技術做神經調控。

  對于生物學背景的他來說,這是一個不小的挑戰。他既要在神經所學習腦科學方面的知識,也要去上海交大醫學院學習B超技術。“‘跨界’確實不容易,但我非常有興趣。”黃晨偉希望自己能在新技術上有所突破。

  雙導師制的前提是,兩個導師必須有深度合作,形成新的融合方向,否則很難給學生提出好的課題。神經所所長助理何杰表示,培養過程中的考核也是獨立進行的,始終關注雙導師培養的性質是否改變。

  從學術“搖籃”開始就接受了雙方的哺育,導師們明顯感覺到,這些學生的思維比自己當初上學時要“交叉”得多,相信在他們中間會涌現出成功融合新成果的人才。

  “英雄不問出處。”腦智卓越中心“筑巢引鳳”,不拘一格聚集人才。

  克隆猴團隊核心成員、神經所博士劉真雖然沒有海外留學背景,但鑒于其科研能力及對舉世矚目的重大成果作出的不可替代的貢獻,于2018年7月被正式聘任為研究員。這為本土優秀青年科研人員的培養進行了有效嘗試。

  成立至今,腦智卓越中心在人才引進和培養方面成效顯著。自2014年起共進行了7次骨干遴選,目前共有137人,形成了由優秀科學家領銜、以優秀青年科學家為主體的攻關團隊,是我國腦科學與智能技術研究的主力軍與核心力量。

  團隊攻關 追求卓越

  美國國立衛生研究院曾提出腦功能定量檢測的想法,但最終沒能實施,原因是無法把相關專業的科研人員聚集在一起協同攻關。

  值得自豪的是,這一點腦智卓越中心做到了。

  “腦科學與智能技術領域的很多創新工作,都不是一個實驗室就能夠完成的。”在蒲慕明心中,卓越創新中心的特別之處,就在于組織團隊聯合攻關重大科學問題。

  腦智卓越中心將團隊聯合攻關作為解決腦科學和智能技術重大問題的核心途徑,積極探索建立兼顧個人興趣與集體目標、自由探索和需求導向的科研體制。該中心對資源配置模式也作了相應調整,強調以點帶面,集中資源布局有前瞻性或有助于提升中心成員整體研究質量的基礎性工作,著重布局有前瞻性的探索性攻關工作,如非人靈長類動物模型構建、腦認知功能檢測工具集研發等。

  “腦認知功能檢測工具集研發”團隊攻關典型案例,匯集了6家單位13個研究組。參與研發的神經所所長助理顧勇深有體會:“不以發文章為目標,大家都知道這項工作需要自己額外付出,能夠學以致用做些有意義的事情,我們很愿意花精力去做。”

  正如神經所黨委書記王燕所說,“體制機制改革要讓科研人員接納,就必須讓他們從思想上發生轉變,將個人發展和國家需求融合在一起”。

  “腦功能聯結圖譜及類腦智能研究”先導專項于2017年結題驗收,2018年中科院實施“腦認知與類腦前沿研究”升級版B類先導專項。該專項更加聚焦、凝練兩個重大突破方向,基于克隆猴技術,研發腦圖譜繪制工具猴和腦疾病模型猴;基于腦智融合,研發高等認知計算模型和神經形態芯片。

  與此同時,上海市市級科技重大專項“全腦神經聯接圖譜與克隆猴模型計劃”啟動實施。專項以國家戰略需求和重大任務為導向,依據“全腦介觀神經聯接圖譜”國際大科學計劃的規劃,繪制模式動物的全腦介觀神經聯接圖譜并驗證其在大腦認知功能上的意義;構建重大腦疾病克隆獼猴模型,探索腦疾病機理,研發診斷和治療手段,并推動疾病模型猴產業化,服務醫療健康產業。

  “團隊攻關要真正做實,還必須有嚴格的評審制度。”蒲慕明認為,在頂層設計和評價導向的雙重驅動下,才能開展深入的實質性合作。

  每年11月底,是腦智卓越中心的“大聚會”,在學術交流的同時進行當年的績效評審。評審結果作為科研人員年度科研經費申請和績效津貼調整的依據,并直接影響他們受資助的力度和晉升的機會。

  王燕記得,開始執行的時候沖擊力很大。有科研人員想不明白:自己發了那么多高影響因子的論文,為什么考評只得了C?

  因為評審標準不一樣了,從2015年底就開始打破“唯論文”評價體系,重點考核對腦智卓越中心團隊攻關項目的貢獻,不計與團隊項目無關的成果;在腦智卓越中心相關領域有重大創新性成果;對交叉學科交流的投入,包括多單位“蹲點”教學與研究、指導雙導師研究生等。

  績效評審結果分為A、B、C三檔,連續兩年評為C的成員將被要求整改,整改期間停止年度績效津貼的發放;連續3年評為C的成員將被要求退出;連續兩年評為A的成員將獲得晉升考核時的優先權。

  此外,腦智卓越中心每5年進行國際學術評估,標準與年度評審相同,評審結果將決定骨干的續聘與晉升。國際評估的重點在于進展的水平“國際化”,即評審標準是國際同領域的最高標準。

  正是由于這些有利于交叉融合、團隊攻關制度的實施,腦智卓越中心才會產生具有國際影響力的創新成果。

  當前,腦科學與智能技術研究正面臨前所未有的發展機遇。蒲慕明表示,腦智卓越中心將搶抓戰略機遇,繼續推進相關改革,積極承擔國家重大科技任務,根據“一體兩翼”的總體部署,以現有團隊為基礎,聯合相關單位進行頂層規劃,為承接“中國腦計劃”作好準備。

  他希望在未來15年內,中國能夠在腦科學基礎研究、腦疾病早期診斷與干預、類腦智能器件等3個前沿領域取得國際領先的成果。

  (原載于《中國科學報》 2019-06-25 第4版 紀實)

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