从“人类脑计划”到计算神经科学

从“人类脑计划”到计算神经科学韩芳东华大学信息学院2013.9主要内容1.“人类脑计划”介绍2.计算神经科学概述Part1.人类脑计划介绍1.人类脑计划介绍问题的提出生命是什么？灵魂在那里？大脑如何思维？揭示大脑奥秘是人类面临的最大挑战.脑科学是21世纪最具有原创性的科学！1.人类脑计划介绍人与其它物种之区别人类有极其复杂的大脑，它是千百万年进化的结晶。在过去六亿年中，生物的进化产生了由大量神经元相互联结而形成的神经网络，解决了在不断变化的复杂环境中，人脑如何处理各种复杂信息的问题。人的高级认知功能的高度发展，使得人类成为万物之首，具备了主宰世界的能力。1.人类脑计划介绍人脑是精巧而完善的智能信息处理系统研究发现，一个成人大脑内有上千亿个神经细胞（10的11次方），还有超过10的14次方个神经突触。脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，是接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令、产生行为的指挥部。掌管着人类每天的语言、思维、感觉、情绪、运动等高级活动。1.人类脑计划介绍脑科学的研究热潮正遍布全球人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合，内容极其丰富。世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究：美国：1989年，美国在全世界率先推出了全国性的脑科学计划，并把20世纪的最后十年命名为“脑的十年”。这一举动立刻得到了国际脑研究组织和许多国际学术组织的响应。美国提出“脑的十年”计划重点是保护脑，防治脑疾病。1.人类脑计划介绍脑科学的研究热潮正遍布全球欧洲：1991年欧共体制定了“EC脑十年计划”；日本：1995年日本学术会议设立“脑科学和意识问题”特别委员会。1996年日本科学技术厅在总结它和通产省等1986年所提出“人类前沿科学计划”十年实践结果的基础上提出了“脑科学时代——脑科学研究推进计划”，正式提出了“了解脑、保护脑、创造脑”的口号，并指出“了解脑也就是了解人类本身”。人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地：了解自己、保护自己、防治脑疾病、开发大脑潜能等方面做出重要的贡献。1.人类脑计划介绍“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标1）以往有关脑的研究包括神经（解剖、生理、病理、生化、免疫、电生理、心理）等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的实验数据和研究结果。2）近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘，先进的基因芯片技术在每秒钟就可以得到大量微观水平上的实验数据。3）脑功能成像（fMRI、PET、ERP等）使我们能从活体和整体水平来研究脑，可以在无创伤条件下了解到人的思维、行为活动时脑的功能活动。这些新方法、新技术极大地增强了宏观水平上的脑研究能力，同时也产生了海量的实验数据。1.人类脑计划介绍脑的研究正在产生海量的数据1）神经科学家面临的重要问题之一，就是能否灵活有效地管理数据，最大限度地利用已有的实验数据。建立“全球神经信息数据库”和“神经信息电子网络”，已经迫在眉睫。2）应加强神经科学和信息科学的合作和相互渗透，建立新的研究模式，即实验数据→数学理论→计算机模拟和预测→生物学实验验证→数学模型与验证后的理论，力求达到事半功倍，加快脑的研究进程。1.人类脑计划介绍海量的数据呼唤新的学科-神经信息科学神经信息学指神经科学和信息学相互结合的研究领域。它是人类脑计划的核心内容。目标：利用信息技术，建立神经信息学数据库。1）以便能对不同层次的有关脑的研究数据，进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、脑结构和神经网络的图谱；2）能从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解，达到“认识脑、保护脑和创造脑”的目的。1.人类脑计划介绍人类脑计划的核心——神经信息学全球人类脑计划/神经信息学的概念最初由美国提出，1999年在美国与欧共体合作的基础上形成USA-EC神经信息学双边合作组织。美国神经信息学的国内分支机构是美国国立卫生院（NIH）神经信息学办公室。该国对人类脑计划/神经信息学的专项资助（PhaseI和PhaseII研究基金）目前已近1亿美金，资助方向是神经科学和信息学相结合的研究内容。美国人类脑计划/神经信息学的研究集中在嗅觉神经信息学（YaleUniversity）、人脑图谱（UCLA）和认知神经信息学（DartmouthCollege）三个方面。美国重视神经信息学人才培养，NIH已启动专项培训和教育计划，资助神经科学和信息学的交叉学科人才的培养。1.人类脑计划介绍神经信息学的建立和发展2000年在OECD的科学论坛（GSF）批准下，建立以美国为牵头国家的神经信息学工作组（OECD-GSF–NI工作组），参加国家有：美国(组长)、英国、法国、日本、中国等21个成员国或观察员国。这标志着神经信息学全球合作计划正式启动，其概念已经在国际范围内得到认可。2004年4月的OECD-GSF-NI巴黎工作会议上，原OECD-GSF-NI工作组更名为国际神经信息学协调委员会(InternationalNeuroinformaticsCoordinatingFacility，INCF)，负责具体执行新一轮神经信息学国际合作计划（PrograminInternationalNeuroinformatics，PIN）。1.人类脑计划介绍神经信息学的建立和发展INCF提出神经信息学的最终目标依旧是建立一个有关神经系统所有数据的全球知识管理系统和网络协同研究环境，组织全世界最顶尖的研究机构和科学家，开展全球性脑科学科研大协作。目前的任务是协调全球神经信息学工作、制定神经信息学的发展计划、工作指南、数据标准和共享规范。1.人类脑计划介绍神经信息学的建立和发展欧盟自1999年与美国共同成立USA-EC神经信息学双边合作组织以来，在全球人类脑计划/神经信息学国际合作中扮演重要角色，具有很好的工作基础和突出贡献。欧盟委员会近年来坚决支持其成员国参与OECD-GSF-NI工作组各项活动，并协助美国建立和完善了国际神经信息学协作组织（INCF），成功争取了国际神经信息学协作组织主办国地位，并联合欧盟15个成员国投入科研基金，建立欧洲神经信息学数据库，发行神经信息学SCI杂志。1.人类脑计划介绍神经信息学在欧洲欧洲神经科学和计算神经科学研究有着悠久的历史，因此在对神经信息学的认识上，与美国有所不同。在美国，神经信息学强调神经科学数据库的建立和共享，而在欧洲，在致力于建立神经科学共享数据库的同时，更强调神经系统中的信息处理的研究信息学工具的开发。目前，英国医学研究委员会（MRC）启动神经信息学人才培养计划，开始授予神经信息学博士学位，英国、德国、荷兰、波兰等国相继建立了神经信息学网站投入运行或试运行。1.人类脑计划介绍神经信息学在欧洲1）“曼哈顿计划”、“阿波罗登月计划”和“人类基因组计划”是划时代的三大科学工程，它们给整个人类社会带来了深远的影响。2）“人类基因组计划”是“生物实验结果和信息科学的完美结合”，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生态平衡和生物学研究作出不可估量的贡献。3)在“人类基因组计划”之后应该是“人类蛋白质组计划”和“人类脑计划”。1.人类脑计划介绍“人类脑计划”是人类历史上的重大科学计划国际神经信息合作组织已在全球召开了4次会议，具体已提出了几项重大建议：1）创建全球性的神经信息学电子网络；2）开发先进的神经信息学工具、方法和数据库；3）通过数据资源共享和建模仿真来了解神经系统的结构和功能，推动脑科学进步。1.人类脑计划介绍当前正在推动的工作目前人类脑计划开展的国际大合作，使用通用数据库，统一格式、统一标准，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结果联系起来，绘制出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经网络、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以在数据库中进行搜索、比较、分析和整合，并进行数学模拟和仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电子合作，也可以避免不必要的重复性研究。1.人类脑计划介绍1）应充分利用我们人类脑资源丰富等优势，积累有特色的基础数据；2）在具有中国特色的传统医学（如针灸等）、汉语认知与特殊感知觉的神经信息学研究等领域深入开展工作；3）建立中国的神经信息平台、电子网络和信息数据库，从而更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。1.人类脑计划介绍中国的神经信息学研究计算神经科学是使用数学分析和计算机模拟的方法在不同水平上对神经系统进行模拟和研究的科学：从神经元的真实生物物理模型，它们的动态交互关系以及神经网络的学习，到脑的组织和神经类型计算的量化理论等，从计算角度理解脑，研究非程序的、适应性的、大脑风格的信息处理的本质和能力，探索新型的信息处理机理和途径，从而创造脑。它的发展将对智能科学、信息科学、认知科学、神经科学等产生重要影响。Part2：计算神经科学1、定义2、发展历史1891年，Cajal创立神经元学说，认为神经系统是由独立的神经细胞组成的，这些神经细胞连在一起组成神经通路；1906年，Sherrington提出突触的概念，他认为这是神经元之间相互交流信息的场所；1943年，McCulloch和Pitts首次提出M-P神经网络模型；1948年，Hebb提出神经网络学习规则；1952年，Hodgkin,Huxley建立了单个神经元的数学模型；1950s，1960s，对树突的功能开始重视，并逐渐认识到树突在神经整合中的作用；1960s，1970s，发现了神经调制物质及第二信使；1970s，计算机化的影像技术应用于脑研究；1989年，Hopfield提出了学习记忆模型，开拓了神经网络用于计算机的新途径；Amari在统计神经动力学、神经场的动力学理论、联想记忆，特别在信息几何方面作出了一些奠基性的工作；1990年，美国开展了“脑的十年”的研究计划；1991年欧洲也成立了“欧洲脑的十年”委员会，推行“欧洲脑的十年”计划；1996年，瑞士《世界经济论坛》上宣布成立“脑研究联盟”；1996年，日本推出了为期20年的“脑科学时代”计划纲要。在我国，1992年把“脑功能及其细胞和分子基础”列入国家科委重大基础研究攀登项目，又把主要脑疾病的防治作为国家“九五”攻关项目。1995年成立了“中国神经科学学会”。3、研究问题单个神经元的计算模型：单个神经元是构成神经网络的基本单元，它由神经细胞体、树突和轴突构成，神经元之间通过突触连接；神经元的计算模型：（1）离子通道模型（2）电缆特性和房室模型（3）突触动力学模型（4）树突动力学模型神经活动的基本过程：研究神经元离子通道及其调控、突触传递及其调控、神经元受体及信号转导、神经活动的同步机理；学习和记忆的神经机制：神经系统因活动和环境等因素的作用而在结构和功能上发生改变，这种改变是学习和记忆等高级脑功能的基础。研究产生这种可塑性、特别是神经突触的可塑性的机制以及学习规则。研究神经元回路信息编码及加工机理；神经元和神经系统发育的分子机制：神经细胞在脑发育时由神经干细胞分化而来，以后经过迁移、长出突起、通过形成突触互相连接等过程逐步形成复杂精密的脑。研究调节神经干细胞分化、维持神经细胞存活、调节神经细胞迁移、突起生长和突触形成的神经营养因子，研究它们的作用和作用机理；神经递质：研究神经递质的构成，神经递质的合成、维持、释放及与受体的相互作用。计算神经科学的研究力图体现人脑的如下基本特征:大脑皮层是一个广泛连接的巨型复杂系统；人脑的计算是建立在大规模并行模拟处理的基础之上；人脑具有很强的“容错性”和联想能力,善于概括、类比、推广；大脑功能受先天因素的制约,但后天因素,如经历、学习与训练等起着重要作用，这表明人脑是有很强的自组织性与自适应性。4、研究意义医学上，神经科学所揭示的每一点，都使人类更接近于能够预防或缓解像癫痫、帕金森病、阿耳茨海默病等神经疾患，以及抑郁症或者狂想症等精神疾病；计算机领域，研究人脑有利于制造性能更高的计算机；哲学上，动物和人的感知、学习记忆、语言思维等现代认知科学的内容，