第三次中國(guó)科協(xié)論壇“2009計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)高層戰(zhàn)略研討會(huì)”上，與會(huì)專家繪了計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的內(nèi)涵，即計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)是近年來迅猛發(fā)展的關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)功能研究的一個(gè)新的交叉學(xué)科。它吸收了數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)理論，以及信息科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究理論和方法來研究神經(jīng)科學(xué)所關(guān)心的大腦工作原理。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)-內(nèi)涵

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)是近年來迅猛發(fā)展的關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)功能研究的一個(gè)新的交叉學(xué)科。它吸收了數(shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)理論，以及信息科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究理論和方法來研究神經(jīng)科學(xué)所關(guān)心的大腦工作原理。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)-簡(jiǎn)介

在第三次中國(guó)科協(xié)論壇“2009計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)高層戰(zhàn)略研討會(huì)”上，與會(huì)專家這樣描繪了計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的內(nèi)涵，中國(guó)科學(xué)院上海神經(jīng)科學(xué)研究所研究員吳思等專家介紹，計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)是計(jì)算生物學(xué)的一個(gè)重要計(jì)算神經(jīng)科學(xué)是國(guó)際上最近才迅猛發(fā)展起來的有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)功能研究的一個(gè)新的交叉學(xué)科。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)

“神經(jīng)系統(tǒng)是宇宙中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。雖然現(xiàn)在人們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)有了很多了解，但是神經(jīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性使得沒有任何一種單獨(dú)的方法可以用來研究神經(jīng)系統(tǒng)功能組織和實(shí)現(xiàn)的所有方面?！眳撬颊f，把各種方法取得的結(jié)果綜合起來，才有可能對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)取得較全面的、符合實(shí)際的認(rèn)識(shí)。粗略地說，研究神經(jīng)系統(tǒng)的相關(guān)研究方法包括微觀層次的膜片鉗記錄、微電極細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外記錄;介觀層次的場(chǎng)電位記錄、光學(xué)成像;宏觀層次的腦功能成像、腦電圖、腦磁圖、行為和病理觀察，以及包括建模和仿真在內(nèi)的計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)方法。而把不同層次的知識(shí)聯(lián)系起來的有效方法，便是基于各種結(jié)構(gòu)層次的建模和仿真。就學(xué)科發(fā)展規(guī)律而言，計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展得益于數(shù)理科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的新進(jìn)展。而腦的復(fù)雜性及其神奇的計(jì)算和決策能力，又吸引了眾多的數(shù)理科學(xué)家和信息科學(xué)家從計(jì)算和建模的角度進(jìn)行研究。這種局面大大促進(jìn)了計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的進(jìn)步。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)-應(yīng)用

能夠與人協(xié)同工作的機(jī)器人、重現(xiàn)人的視覺或感知信息，這都是計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)最實(shí)際的應(yīng)用。

一方面，神經(jīng)系統(tǒng)是億萬年劇烈的生存競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)物，它在信息處理的方式和原理方面、控制調(diào)節(jié)機(jī)體的活動(dòng)方面，積累了許多優(yōu)點(diǎn)長(zhǎng)處。人類進(jìn)入信息時(shí)代還不到半個(gè)世紀(jì)，雖然電子計(jì)算機(jī)在運(yùn)算速率方面可達(dá)萬億次，但感知能力、學(xué)習(xí)能力、適應(yīng)能力等方面，都遠(yuǎn)落后于動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)，所以了解神經(jīng)系統(tǒng)的工作原理，把它應(yīng)用于人工智能、機(jī)器人和計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)是大有前途的。

另一方面，有關(guān)神經(jīng)信息處理的研究，不僅對(duì)認(rèn)識(shí)神經(jīng)系統(tǒng)工作機(jī)制、發(fā)展人工智能而言至關(guān)重要，而且對(duì)臨床康復(fù)而言，亦具有非常重要的意義。吳思舉例說：“許多視覺缺失和聽覺缺失者之所以看不見和聽不見，并不是由于他們的大腦喪失了這些功能，而僅僅是由于他們的感受部分出了問題，不能把外界信息傳遞到大腦?！痹诮鉀Q這些問題時(shí)，如果通過特定的腦機(jī)接口把外界刺激轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾姶碳鬟f到大腦，那么殘疾人還是有可能對(duì)外界刺激做出類似健康人的響應(yīng)，這就是所謂的感覺替代。問題的關(guān)鍵是要了解神經(jīng)編碼，也就是了解正常感官是如何編碼感覺刺激并向大腦傳輸?shù)摹?/p>

現(xiàn)在，基于對(duì)大腦信息處理過程的研究，已經(jīng)發(fā)展出像神經(jīng)工程，包括腦機(jī)接口、感覺代償、運(yùn)動(dòng)控制、腦信號(hào)處理等應(yīng)用，還包括神經(jīng)計(jì)算機(jī)、智能化機(jī)器人的診斷和治療這樣一些新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)

奇妙應(yīng)用——機(jī)器人可根據(jù)環(huán)境變化改變行為

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，迄今為止會(huì)自己作決定的機(jī)器人都只出現(xiàn)在科幻電影里，但是科學(xué)家正在努力通過一個(gè)跟兒童身高差不多的機(jī)器人，把虛構(gòu)的情節(jié)變成現(xiàn)實(shí)。這種機(jī)器人擁有一雙大大的眼睛和白面孔，名字叫iCub，科學(xué)家希望它能學(xué)會(huì)根據(jù)環(huán)境變化不斷改變自己的行為，幫助科學(xué)家了解人類認(rèn)知能力的發(fā)展過程。iCub大約有1米高，它擁有鉸鏈?zhǔn)杰|干，胳膊和腿由復(fù)雜的電路組成。白臉，大大的圓眼睛，它能看到移動(dòng)的物體，并能尾隨其后。最近在法國(guó)東南部里昂市的一座實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的試驗(yàn)中，iCub問多米內(nèi)說：“我們是玩老游戲還是新游戲啊?”它的聲音非常機(jī)械，這并不令人吃驚，不過它采用的確實(shí)是詢問語調(diào)，跟人類提問時(shí)一樣。

這個(gè)“游戲”過程包括，一個(gè)人拿起盒子，下面露出一個(gè)玩具。另一個(gè)人拿起玩具，然后把它放下。最后，第一個(gè)人再把盒子放下，蓋在玩具上。iCub看過兩個(gè)人玩這個(gè)游戲以后，它也能參與進(jìn)來。多米內(nèi)說：“這個(gè)機(jī)器人證明它能改變角色。在互動(dòng)游戲中它既能扮演第一個(gè)人的角色，又能完成第二個(gè)人需要完成的任務(wù)?！倍嗝變?nèi)表示，經(jīng)過多年研究后，他認(rèn)為這種模型必須“應(yīng)用到社會(huì)中”，讓它具有視覺和運(yùn)動(dòng)控制能力，以便與人類進(jìn)行互動(dòng)。他詢問說：“這是感知意識(shí)嗎?某人有目的的了解一些事情的能力就是意識(shí)嗎?我們可以更加精確地詢問這些問題，因?yàn)槲覀冇性囼?yàn)臺(tái)、這種機(jī)器人和其他東西，我們可以利用這些東西進(jìn)行試驗(yàn)?！彼硎?，與iCub合作是一件“非常令人愉快的事情”。擺脫不切實(shí)際的關(guān)注對(duì)象的目的，是使iCub不斷發(fā)展，以便把它應(yīng)用于實(shí)際生活中。

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)-發(fā)展前景

計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)

根據(jù)《神經(jīng)元》雜志報(bào)道，雖然迄今為止，研究人員只開發(fā)了能復(fù)制大腦簡(jiǎn)單圖像的技術(shù)，但是這一研究為揭開人們的夢(mèng)以及其他大腦程序的神秘鋪平了道路。日本國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)技術(shù)研究所計(jì)算神經(jīng)學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)言人表示：“它可能顯示直接來自人們大腦活性的東西，而且是全世界第一次這樣做。通過應(yīng)用這種科技，或許我們記錄和重播人們感知的主觀圖像(如夢(mèng)境)的可能性更大了?！边@項(xiàng)研究的科學(xué)家們將研究聚焦于人眼視網(wǎng)膜里的圖像識(shí)別程序。作為實(shí)驗(yàn)的一部分，研究人員為受試者展示了“神經(jīng)元”(neuron)的六個(gè)字母，之后使用這種技術(shù)測(cè)量了他們的大腦活性，結(jié)果在電腦屏幕上再現(xiàn)了這6個(gè)字母。雖然完全實(shí)現(xiàn)重溫夢(mèng)境在短期看來并不那么現(xiàn)實(shí)，但是據(jù)吳思介紹，近年來，數(shù)理科學(xué)基礎(chǔ)理論的新進(jìn)展，提出了研究復(fù)雜體系的理論方法。這些理論方法可以普遍應(yīng)用于生命體的不同功能系統(tǒng)，包括對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能的研究。采集、存儲(chǔ)、計(jì)算等技術(shù)的進(jìn)步使得對(duì)生物體的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)成為可能。

“目前國(guó)內(nèi)計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)研究領(lǐng)域覆蓋了感覺系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)(視覺、聽覺、嗅覺、痛覺)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)、高級(jí)腦功能(學(xué)習(xí)與記憶、多模態(tài)感知融合)等。”吳思說，如果從所研究的標(biāo)本層次來看，目前國(guó)內(nèi)的計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)研究包括：突觸功能調(diào)節(jié)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)特性的調(diào)控、單神經(jīng)元功能建模、神經(jīng)元群體功能建模、單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)信息的編碼、群體神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)信息的編碼、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)特性的研究等。這些工作的意義不僅在于對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的生物學(xué)過程和生物學(xué)意義的理解，同時(shí)為人工智能的發(fā)展和臨床康復(fù)應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。“相比于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展還相當(dāng)落后?！眳撬颊f，各國(guó)政府加大了對(duì)計(jì)算神經(jīng)生物學(xué)的投入，因此發(fā)展速度越來越快。聯(lián)合上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授梁培基、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授陶樂天等專家建議，通過成立較大規(guī)模的專注于計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的研究中心、對(duì)該領(lǐng)域人才進(jìn)行專門的強(qiáng)化訓(xùn)練等方式，加快計(jì)算神經(jīng)科學(xué)發(fā)展的速度?！皻W美經(jīng)常組織從幾星期到幾個(gè)月不等的講習(xí)班、短期課程，訓(xùn)練學(xué)生。這些學(xué)生通常是數(shù)理背景的研究生、博士生或博士后，培訓(xùn)結(jié)束之后，他們能夠快速進(jìn)入該領(lǐng)域。我們也可以借鑒這些經(jīng)驗(yàn)。”此外，吳思表示，對(duì)于那些雖然非常重要，但是不太有把握的問題，例如對(duì)于意識(shí)和情感的研究，仍然應(yīng)謹(jǐn)慎地避免觸及?！耙?yàn)槲覀儾荒艽_定在未來十年內(nèi)，實(shí)驗(yàn)和理論的方法是否足以讓這方面的研究取得突破?！?/p>