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构建一个多方联结协同的扶贫平台
发布时间:2018-10-29 10:57 来源:未知
    10月26日,《科学》发表重磅成果——中国科学院深圳先进技术研究院(简称先进院)脑认知与脑疾病研究所朱英杰研究员与美国斯坦福大学生物系陈晓科教授合作,首次发现大脑存在一个动态评估外界信息重要性的关键脑区——丘脑室旁核(PVT),该脑区的信息处理会让大脑在不同环境和生理状态下对事件的重要性进行评估从而做出恰当选择。
  这一发现开启了脑科学研究的又一新领域,为人们未来研究如何提高大脑的认知和学习能力奠定重要基础,对普通人群和脑疾病患者的认知与治疗均具有突破性意义。研究成果以长文形式发表于国际权威期刊《科学》杂志,朱英杰是论文第一作者。
  人一天有意无意要面临很多选择,如何从海量信息中抽提出对我们最重要的信息,并据此做出恰当反应?
  “简单地说,当你面临选择左右为难时,大脑它在做什么?”朱英杰表示,这是大脑信息处理面临的一个基本问题。
  2016年他作为第一作者曾在国际权威期刊《自然》杂志上发表研究,首次发现大脑中存在可以用于戒除毒瘾的全新神经通路。本次《科学》发表的工作正是针对同一脑区的再次突破,此前国际科学界普遍认为PVT调控负性情绪,朱英杰等通过实验论证颠覆性提出PVT动态编码事件重要性的概念。美国《科学》杂志审稿人评价:“朱英杰研究员等人发表了一系列非常漂亮的实验结果,这些卓越并且激动人心的实验结果证明了PVT在显著性(重要性)控制联想学习效果上的重要作用。这篇优秀的论文中,实验设计得非常优雅,结果的描述和展示都非常清楚。让读者在对PVT这一神秘脑区功能的理解上迈出了重要的一步。”“精准扶贫联盟计划”启动大会暨精准扶贫高峰论坛在四川成都成功召开。工行深圳市分行受邀出席了本次论坛,将携手工行深圳市分行合作商户顺丰集团、本来生活一起参与到此次扶贫工程建设。发展类脑智能,让机器向人学习,是提升人工智能水平的重要方向。香港科技大学叶玉如院士在会上指出:“目标是在多个层面,理论上模拟大脑的机制和结构,开发一个更具有普遍性的AI以应对包括多任务、自学习和自适应等方面的挑战。”
  近年来,脑科学研究正在从传统的“读脑”向“控脑”转换。朱英杰团队的研究工作正是对PVT脑区的“读”与“控”。通过调控PVT脑区的神经活动,他们发现该脑区神经元活性控制着小鼠学习能力。当利用光遗传学技术抑制PVT活动后,偶联性学习的速率和效果都大大受损。
  “未来我们将进一步研究,可否通过增强PVT活动提高人们的注意力、增强学习能力,这将为转化应用打开一扇窗口。”朱英杰表示。
  此外,该大脑机制的研究发现也可能会为未来类脑人工智能技术发展提供全新思路。在大数据时代,如何从海量信息中寻找重要的有效信息?在一万张人脸中,如何通过一个生物学特征快速准确识别出你想找的人?通过研究大脑如何动态评估外界信息重要性、生物学显著性的内在机制,该工作将可能对未来发展类脑人工智能技术带来重要意义。
  Malenka:先进院脑所团队优势得天独厚——他们汇聚一大批优秀的科研人员,而且具有非常先进的生物医学平台,可以利用光遗传技术、fMRI、TMS等各种前沿技术展开脑疾病临床研究,以更有意义的方式搭建临床研究和动物研究间的桥梁。美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka高度评价:
  发挥跨物种研究特色 深圳有望成全球脑科学前沿高地,Malenka:我很惊讶于他们在短短4年中取得的成绩,老实讲,这种成长与发展速度让人难以置信。脑所建立之初就把脑认知与脑疾病作为研究方向,想在小鼠、猴子、人类间做跨物种比较研究,这种研究方法非常有潜力。当前国际上在跨物种比较研究做得远远不够,先进院脑所可能在该领域为全球脑科学研究作出贡献。
  脑所有很多有天赋、活力的年轻人,资源平台开放共享,这种协作模式非常有趣,值得探索。在美国,很多大学都是系所之间相互隔离,阻碍了脑研究的协同攻关。我相信接下来10~30年的发展趋势,就是打破学科间的藩篱搭建桥梁。研究团队深入发现,外界刺激的显著性(重要性)不仅取决于刺激本身的物理特性,也跟内在生理状态和所处外部环境有关。例如小老鼠饥肠辘辘时,食物对它而言是非常重要的资源;反之,食物诱惑性就大打折扣。
  另外,外部环境变化也影响事件重要性,如果猫在食物旁边,猫的显著性(重要性)大于食物,饥肠辘辘的小鼠就会压制对食物的冲动,选择首先躲避威胁。
  研究团队通过调节小鼠内在生理状态与所处外部环境,利用光纤成像记录和单细胞电生理记录技术从不同角度反复验证发现,PVT神经元反应受动物内在生理状态和外部环境影响,动态反映动物对信息重要性的判断。他们还发现PVT脑区对预期奖励落空(Reward Omission)存在动态评估机制。当小鼠每天到冰箱前都能发现奶酪时,它已经习惯了这种奖赏。但有一天,当小鼠来到冰箱前没有奶酪时,这一“失落感”也会激活PVT。
  然而,由于动物具有消退学习能力,小鼠如果习惯了冰箱前没有奶酪,就会逐渐停止寻找。就好比夫妻的“七年之痒”,如果一直习惯了对方的存在,PVT反应也会趋于平淡。但一旦有外界环境的刺激,又可能会重新激活初恋时的“心跳感”。
  科研人员也发现,当人为抑制小鼠PVT活动,其消退学习过程会变慢。针对上述例子,人为干预也可能会减缓感情消退的过程,使夫妻双方一直保持“心动感”。
  随着人工智能发展,以深度学习为代表的机器学习方法在视听觉感知上媲美甚至超越人类。但在日前召开的第S43次香山科学会议上,中科院神经科学所蒲慕明院士也指出,与人脑学习能力相比,机器学习在可解释性、推理能力、举一反三能力等存在明显差距。本次论坛由中国人民银行、中央扶贫办联合发起,中国工商银行牵头,联合中国红十字会、五粮液集团、顺丰集团、中央广播电视总台央广网、百度集团等各领域合作伙伴,共同发起“精准扶贫美好生活”联盟计划,旨在探索联动各方力量为精准扶贫带来新的契机,加速各行业精准扶贫进一步融合,推动扶贫攻坚工作迈向新的台阶。
  据了解,顺丰集团以深圳市顺丰大当家商贸有限公司为扶贫合作的主体,为工行推荐的国家级贫困县商户提供包括品控质检、宣传推广、服务售后、四大全赔等免费代运营服务,并承诺本年度内至少实现对接20家农商户,签约商品数总计达到40种。与此同时,顺丰集团将对工商银行融e购电商平台上入驻的国家级贫困县商户提供物流支持和运费7折优惠。工行另一家合作商户本来生活将以包销商的角色参与到此次活动中,后续将会进行更深入的扶贫合作。
  近年来,工行深圳市分行坚持精准扶贫,彰显国有大行的责任担当。根据规划,工行深圳市分行将致力于构建一个多方联结协同的扶贫平台、创新与实践相结合的扶贫平台、合作探索共同进步的扶贫平台,寻找和建立精准扶贫领域的长期高效率运作模式,激发其区域产业自我造血,促进其地区人民活力释放,共同构建商融互促、产业扶持、销售渠道、全媒体宣传相结合的全链条扶贫愿景。首次发现大脑动态评估信息重要性的机制、首破脑内再殖小胶质细胞起源之谜、首个针对中国阿尔茨海默症人群的全基因组测序研究、首创超声无创深部脑调控方法及仪器系统、首次发现脑血管中全新的膜蛋白分子……,中国科学院深圳先进技术研究院(简称先进院)在聚焦脑科学领域的协同攻关中成果频现。仅今年,院脑科学交叉团队在《科学》《美国国家科学院院刊》《自然·神经科学》等国际权威期刊就发表10余篇高水平论文。
  事实证明,只有打破藩篱、创新要素集聚的“国际范儿”协同攻关平台,才能迅速打造出一支科研战力强悍的“集团军”,推动脑认知和脑疾病研究实现跨越式发展。
  海纳百川,大道致远。先进院经过10年前瞻布局、5亿元精准投入,形成了10余种学科交叉、达260人规模的脑科学交叉团队,生动诠释着“与世界前沿同步”。如今成果正不断爆发,形成集群规模,先进院将作为依托单位牵头建设脑设施和脑研究院,助力深圳成为国际脑科学源头创新的前沿阵地。
  源头创新,多项成果解密大脑未知疆域
  一束光照到小鼠脑部,打开脑中生死攸关的“恐惧开关”,小鼠突然犹如见到猫般夺路而逃。
  今年3月,先进院脑认知与脑疾病研究所(简称脑所)所长王立平实验室发现大脑中压力应激强化视觉恐惧信号处理的神经环路机制,成果以长文发表于美国《当代生物学》杂志,为深入揭示大脑对恐惧反应的调控机制,从神经环路结构与功能异常角度理解精神疾病发生机制、干预策略和治疗靶点提供新的研究思路。
  脑科学被誉为理解自然和人类的终极疆域,也是全球科技战略制高点。作为粤港澳大湾区脑科学重要研究力量,脑所自4年前筹建来实现多项重大研究突破,仅今年就发表《科学》《美国国家科学院院刊》等高水平论文10余篇,累计申请专利150余项,获授权60余项。
  朱英杰研究员首次发现大脑动态评估外界信息重要性的机制,揭示控制学习能力的关键大脑核团,为通过调控大脑神经环路增强学习认知能力奠定基础,成果以长文形式在线发表于美国《科学》杂志。
  陈宇研究员联合团队建立了高质量中国老年痴呆症人群队列,成功找到新风险基因,为研究老年痴呆症致病机理及生物标志物研究提供重要线索,成果发表于《美国国家科学院院刊》。
  在原理性研究外,先进院也致力于为国际脑科学研究提供前沿平台和创新方法。
  6月,王立平与鲁艺团队合作研发出适用于活体神经调控的柔性光遗传技术,首次采用柔性可拉伸的水凝胶光纤在动物活体水平实现对目标神经元的选择性调控,有望为神经精神疾病治疗提供新工具。“脑所现已建起完善的光遗传学技术平台,辐射境内外约400家实验室。”王立平说,相关成果已申请发明专利160余件,获授权100余件,近5年在《自然·神经科学》等期刊发表高水平论文20余篇。
  此外,先进院副院长郑海荣研究员带领的高端医学影像团队发明了超声无创深部脑调控方法及仪器系统。9月16日,先进院与绿谷制药签署战略合作,共同推动国家重大科研仪器研制专项“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控技术”的科技成果转化,绿谷制药将投资数亿元,共同打造中国原创的大脑疾病非药物治疗平台,推动国际领先的超声物理诊疗技术在医疗健康领域的深度应用,矢志努力为全球数亿大脑及神经精神疾病患者带来福音。
  “凤凰”来深筑巢,脑科学前沿“集团军”初现,在先进院,十步之泽,必有芳草。脑所继承了院里交叉融合、力推年轻人的魄力,所内核心骨干平均年龄不到37岁。
  “城市很干净,所里有好多年轻的海归研究员。”王虹研究员说,无论技术水平还是眼界,脑所已优于国外实验室平均水平,促使她与丈夫Robert Naumann放弃欧美工作机会来到先进院。2016年9月,《科学》刊发王虹成功调控小鼠体温的研究成果;今年5月,Naumann在《科学》发表成果揭示皮层和海马神经元类型的进化。
  市科创委主任梁永生曾说,深圳大力建设诺奖实验室,其实看重的是诺奖后面的科研团队和诺奖级人才。这也正是先进院招才引智的超前布局。
  2016年,路中华和李翔加盟脑所。路中华曾跟随诺奖得主Linda Buck做博士后,主要研究脑疾病神经环路机制及脑疾病诊断干预策略的开发;李翔先后师从诺贝尔生理医学奖得主Eric Kandel和化学奖得主Joachim Frank,开展一系列与记忆和神经退行性疾病相关研究及老年痴呆症相关蛋白大分子的冷冻电镜结构。
  一流的国际化人才会吸引更多凤凰来深圳筑巢。以斯坦福脑科学“三剑客”——王立平、朱英杰、畅君雷为代表的一流人才正在不断吸引国际顶级人才,在深圳实现一次又一次的原创性突破。
  “脑所的一个特点就是开放、共享、国际化的科研平台,团队交叉互补优势更明显。”王立平介绍,大多数科研机构采用单打独斗的课题组长(PI)制,脑所将方向接近的PI形成四大研究中心进行合力攻关。
  短短4年,脑所已发展成200多人团队,设立了广东省脑连接图谱重点实验室、市神经精神调控重点实验室和市脑图谱解析关键技术与设备工程实验室,累计获批国家省部地方各级项目经费总额达1.96亿元,在国际脑科学部分前沿领域起到引领作用。
  王立平指出,目前国际上针对一些重大科学问题都采取集团军作战的布局,“先进院汇聚脑研究创新力量交叉合作、形成团队作战,希望能率先实现部分领域的突破”。
  因为拥有一支实力颇强的脑创新团队而备受瞩目,深圳在前沿脑研究后起居上,已初步形成与京沪并驾齐驱的三足鼎立局面。
  开放共享,国际化大平台不断释放创新活力
  先进院脑科学成果产出时间轴紧凑,究其原因,与其在生物医药领域十余年的积淀和独具特色的科研平台不无关系。
  除了脑所核心团队外,先进院医工所、医药所、集成所、数字所等均提供国际领先的人才与平台,形成生物医学工程、生物医药、高性能计算技术以及大数据、人工智能与脑科学的交叉研究,为面向全球重大挑战提供创新要素集聚的前沿脑交叉团队。
  医工所彭勃副研究员团队发表于《自然·神经科学》的成果成功破解国际上关于脑内小胶质细胞再殖现象的细胞起源之谜,并发现迄今在成年哺乳动物中枢神经系统内最快的细胞增殖现象,对中枢神经系统再生研究和小胶质细胞稳态维持有重大科学价值。
  医药所畅君雷研究员发表在《自然·医学》的成果聚焦中风、脑梗等脑血管病,发现脑血管中全新膜蛋白分子,通过增强该蛋白功能可有效减少血管再通治疗引起的血脑屏障损伤,显著提高神经功能和存活。国际领域专家评价该成果“为多种神经系统疾病提供新治疗靶点”。
  同时,脑所积极主动融入全球科技创新网络,在成立初有与美国MIT麦戈文脑研究所的共建基因,而且与布罗德研究所、斯坦福等密切合作,以非人灵长类动物模型和神经环路结构功能等脑认知研究为基础,建立开放、共享的国际一流研究平台。
  今年初,先进院非人灵长类动物实验平台在深圳首获国际AAALAC认证,实现与国际接轨,为吸引罗氏等国际一流药物研发公司提供平台保障。脑所副所长周晖晖研究员在平台上开展视觉认知神经机制、脑疾病相关认知障碍等方面的研究工作。他回国后在理解视觉注意力的皮层和皮层下环路机制上取得了国际前沿成果,文章发表在《神经元》期刊。
  美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka表示,先进院脑交叉团队拥有光遗传技术、fMRI、TMS等多种前沿技术和平台,优势得天独厚。交叉团队打破系所分隔集中攻关人类终极科研疆域,汇聚了一大批优秀的科研人员和技术手段,以更有意义的方式搭建人类和动物世界间的桥梁。
  为抢占脑科学战略制高点,深圳将建设脑解析和脑模拟重大科技基础设施,希望围绕“重大脑疾病发生和干预的神经机制及诊疗策略”这一方向的实际需求,为老年痴呆症、自闭症、抑郁症、脑卒中和语言障碍等脑疾病研究提供平台支撑;同时希望积极推动深港脑科学团队合作,建设深港脑科学中心,在深圳建设具备国际影响力的脑科学前沿交叉研究团队和创新载体,在脑认知基础、脑疾病的早期诊断和干预、类人智能技术、脑科学研究新技术等几个前沿领域形成创新合力。
  先进院院长樊建平表示,深圳是国内承担脑科学先导专项的重要城市之一。深圳选择先进院牵头脑设施与脑院的建设,是基于先进院“顶天立地”的理念和面向国际开放共享的交叉创新平台建设。
  由先进院牵头深港两地多所高校和科研机构共建的脑设施与脑院,将有望成为国家脑科学研究的重要平台和力量,通过进一步整合国际和国家创新资源,为深圳脑科学与脑技术发展最大程度提供人才、资源、技术共享的服务平台,让深圳成为中国脑计划南方布局的重要研究基地。
  中美科学家联合揭开大脑“抉择”之谜
  美《科学》发表深圳先进院朱英杰等脑研究成果
  一块香喷喷的奶酪摆在面前,小老鼠会兴冲冲地奔向美味;但如果奶酪旁冒出一只凶相毕露的猫,美食和生命哪个更重要?现在,这种抉择背后的大脑深层次原因被科学家揭开面纱。
  
  “这项重要研究拓展了我们对丘脑功能的认识,发现了影响学习和记忆的新重要神经机制。该工作将引起脑认知和脑疾病研究领域的广泛关注,并吸引更多研究者探索PVT这一重要脑区的功能。”美国三院院士、斯坦福大学终身教授Robert Malenka评价道。
  研究人员首先训练小鼠进行嗅觉巴甫洛夫条件性学习,将不同气味刺激跟奖赏(水)或惩罚(吹气或电击)偶联,随后发现位于大脑中部的PVT神经元能被重要事件激活,无论奖惩。
  科研人员发现小鼠对不同气味的反应颇为有趣:如果是第一次向小鼠呈现不喜不厌的中性气味,能激活PVT;但该气体若反复出现且没有任何奖惩后果,PVT反应逐渐消失;当该气体跟奖惩偶联时,PVT又能被激活。此外,PVT反应幅度也能编码刺激的强度。
  “这是科学家第一次发现在丘脑中存在能反映外界刺激重要性的神经元。”该论文通讯作者陈晓科教授表示。
  实验过程并不是一帆风顺。初期,小鼠运动产生的电噪音对数据记录带来干扰较大,为此朱英杰在其他实验室学了两个月,不断改良电极制作、电镀参数等。此外,最初的光纤记录技术无法获得更精准的实验数据,他们又额外花半年用分辨率更高的电生理记录技术再次验证了发现。正是扎实的基础工作,让此次设计更精巧、成果更加体系化。
  他们还具有一些潜在优势,如国际AAALAC认证的非人灵长类实验平台。如果他们可以继续交叉融合,打造协作攻关的研究设施,将会让深圳成为脑科学领域的前沿阵地。
  问:对于深圳未来的脑科学领域发展,有什么建议?
  Malenka:中国学术机构需要加强与医学院之间的联系。让科研人员真正走近临床,也帮助临床医生通过科研加深对疾病的理解、提供更好的治疗方法,这是先进院脑所这样的脑科学研究机构存在的重要性。