從“人類腦計劃”到計算神經(jīng)科學(xué)課件

從“人類腦計劃”到計算神經(jīng)科學(xué)韓芳東華大學(xué)信息學(xué)院2013.9主要內(nèi)容1.“人類腦計劃”介紹2.計算神經(jīng)科學(xué)概述Part1.

人類腦計劃介紹

1.人類腦計劃介紹

人與其它物種之區(qū)別

人類有極其復(fù)雜的大腦，它是千百萬年進(jìn)化的結(jié)晶。在過去六億年中，生物的進(jìn)化產(chǎn)生了由大量神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)而形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，解決了在不斷變化的復(fù)雜環(huán)境中，人腦如何處理各種復(fù)雜信息的問題。人的高級認(rèn)知功能的高度發(fā)展，使得人類成為萬物之首，具備了主宰世界的能力。1.人類腦計劃介紹

人腦是精巧而完善的智能信息處理系統(tǒng)

研究發(fā)現(xiàn)，一個成人大腦內(nèi)有上千億個神經(jīng)細(xì)胞（10的11次方），還有超過10的14次方個神經(jīng)突觸。

腦是生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的組織，是接受外界信號、產(chǎn)生感覺、形成意識、進(jìn)行邏輯思維、發(fā)出指令、產(chǎn)生行為的指揮部。

掌管著人類每天的語言、思維、感覺、情緒、運動等高級活動。1.人類腦計劃介紹

腦科學(xué)的研究熱潮正遍布全球

人腦的結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜，需要從分子、細(xì)胞、系統(tǒng)、全腦和行為等不同層次進(jìn)行研究和整合，內(nèi)容極其豐富。世界各國投入了大量的人力和財力進(jìn)行專門研究：美國：1989年，美國在全世界率先推出了全國性的腦科學(xué)計劃，并把20世紀(jì)的最后十年命名為“腦的十年”。這一舉動立刻得到了國際腦研究組織和許多國際學(xué)術(shù)組織的響應(yīng)。美國提出“腦的十年”計劃重點是保護(hù)腦，防治腦疾病。1.人類腦計劃介紹

腦科學(xué)的研究熱潮正遍布全球

歐洲：1991年歐共體制定了“EC腦十年計劃”；日本：1995年日本學(xué)術(shù)會議設(shè)立“腦科學(xué)和意識問題”特別委員會。1996年日本科學(xué)技術(shù)廳在總結(jié)它和通產(chǎn)省等1986年所提出“人類前沿科學(xué)計劃”十年實踐結(jié)果的基礎(chǔ)上提出了“腦科學(xué)時代——腦科學(xué)研究推進(jìn)計劃”，正式提出了“了解腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造腦”的口號，并指出“了解腦也就是了解人類本身”。

1）以往有關(guān)腦的研究包括神經(jīng)（解剖、生理、病理、生化、免疫、電生理、心理）等，已經(jīng)獲得了大量有關(guān)動物腦和人腦的實驗數(shù)據(jù)和研究結(jié)果。

2）近年來分子神經(jīng)生物學(xué)研究從基因水平來揭示人腦的奧秘，先進(jìn)的基因芯片技術(shù)在每秒鐘就可以得到大量微觀水平上的實驗數(shù)據(jù)。

3）腦功能成像（fMRI、PET、ERP等）使我們能從活體和整體水平來研究腦，可以在無創(chuàng)傷條件下了解到人的思維、行為活動時腦的功能活動。這些新方法、新技術(shù)極大地增強(qiáng)了宏觀水平上的腦研究能力，同時也產(chǎn)生了海量的實驗數(shù)據(jù)。

1.人類腦計劃介紹

腦的研究正在產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)

神經(jīng)信息學(xué)指神經(jīng)科學(xué)和信息學(xué)相互結(jié)合的研究領(lǐng)域。它是人類腦計劃的核心內(nèi)容。

目標(biāo)：利用信息技術(shù)，建立神經(jīng)信息學(xué)數(shù)據(jù)庫。

1）以便能對不同層次的有關(guān)腦的研究數(shù)據(jù)，進(jìn)行檢索、比較、分析、整合、建模和仿真，繪制出腦功能、腦結(jié)構(gòu)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖譜；

2）能從基因到行為各個水平加深人類對大腦的理解，達(dá)到“認(rèn)識腦、保護(hù)腦和創(chuàng)造腦”的目的。

1.人類腦計劃介紹

人類腦計劃的核心——

神經(jīng)信息學(xué)

2000年在OECD的科學(xué)論壇（GSF）批準(zhǔn)下，建立以美國為牽頭國家的神經(jīng)信息學(xué)工作組（OECD-GSF–NI工作組），參加國家有：美國(組長)、英國、法國、日本、中國等21個成員國或觀察員國。這標(biāo)志著神經(jīng)信息學(xué)全球合作計劃正式啟動，其概念已經(jīng)在國際范圍內(nèi)得到認(rèn)可。

2004年4月的OECD-GSF-NI巴黎工作會議上，原OECD-GSF-NI工作組更名為國際神經(jīng)信息學(xué)協(xié)調(diào)委員會(InternationalNeuroinformaticsCoordinatingFacility，INCF)，負(fù)責(zé)具體執(zhí)行新一輪神經(jīng)信息學(xué)國際合作計劃（PrograminInternationalNeuroinformatics，PIN）。

1.人類腦計劃介紹神經(jīng)信息學(xué)的建立和發(fā)展

INCF提出神經(jīng)信息學(xué)的最終目標(biāo)依舊是建立一個有關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)的全球知識管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同研究環(huán)境，組織全世界最頂尖的研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家，開展全球性腦科學(xué)科研大協(xié)作。目前的任務(wù)是協(xié)調(diào)全球神經(jīng)信息學(xué)工作、制定神經(jīng)信息學(xué)的發(fā)展計劃、工作指南、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和共享規(guī)范。

1.人類腦計劃介紹神經(jīng)信息學(xué)的建立和發(fā)展

歐盟自1999年與美國共同成立USA-EC神經(jīng)信息學(xué)雙邊合作組織以來，在全球人類腦計劃/神經(jīng)信息學(xué)國際合作中扮演重要角色，具有很好的工作基礎(chǔ)和突出貢獻(xiàn)。歐盟委員會近年來堅決支持其成員國參與OECD-GSF-NI工作組各項活動，并協(xié)助美國建立和完善了國際神經(jīng)信息學(xué)協(xié)作組織（INCF），成功爭取了國際神經(jīng)信息學(xué)協(xié)作組織主辦國地位，并聯(lián)合歐盟15個成員國投入科研基金，建立歐洲神經(jīng)信息學(xué)數(shù)據(jù)庫，發(fā)行神經(jīng)信息學(xué)SCI雜志。1.人類腦計劃介紹神經(jīng)信息學(xué)在歐洲

歐洲神經(jīng)科學(xué)和計算神經(jīng)科學(xué)研究有著悠久的歷史，因此在對神經(jīng)信息學(xué)的認(rèn)識上，與美國有所不同。在美國，神經(jīng)信息學(xué)強(qiáng)調(diào)神經(jīng)科學(xué)數(shù)據(jù)庫的建立和共享，而在歐洲，在致力于建立神經(jīng)科學(xué)共享數(shù)據(jù)庫的同時，更強(qiáng)調(diào)神經(jīng)系統(tǒng)中的信息處理的研究信息學(xué)工具的開發(fā)。目前，英國醫(yī)學(xué)研究委員會（MRC）啟動神經(jīng)信息學(xué)人才培養(yǎng)計劃，開始授予神經(jīng)信息學(xué)博士學(xué)位，英國、德國、荷蘭、波蘭等國相繼建立了神經(jīng)信息學(xué)網(wǎng)站投入運行或試運行。1.人類腦計劃介紹神經(jīng)信息學(xué)在歐洲

1）“曼哈頓計劃”、“阿波羅登月計劃”和“人類基因組計劃”是劃時代的三大科學(xué)工程，它們給整個人類社會帶來了深遠(yuǎn)的影響。

2）“人類基因組計劃”是“生物實驗結(jié)果和信息科學(xué)的完美結(jié)合”，人類基因庫將為人類健康、疾病診斷、藥物開發(fā)、生態(tài)平衡和生物學(xué)研究作出不可估量的貢獻(xiàn)。

3)在“人類基因組計劃”之后應(yīng)該是“人類蛋白質(zhì)組計劃”和“人類腦計劃”。

1.人類腦計劃介紹

“人類腦計劃”是人類歷史上的重大科學(xué)計劃

目前人類腦計劃開展的國際大合作，使用通用數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)一格式、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將腦的結(jié)構(gòu)和功能、微觀和宏觀的研究結(jié)果聯(lián)系起來，繪制出健康和疾病狀態(tài)下腦的功能、結(jié)構(gòu)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞和分子生物學(xué)的“圖譜”。成員國的科學(xué)家們可以在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索、比較、分析和整合，并進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和仿真計算，這將十分有利于理論假設(shè)的形成和研究者之間的電子合作，也可以避免不必要的重復(fù)性研究。1.人類腦計劃介紹

1）應(yīng)充分利用我們?nèi)祟惸X資源豐富等優(yōu)勢，積累有特色的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2）在具有中國特色的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（如針灸等）、漢語認(rèn)知與特殊感知覺的神經(jīng)信息學(xué)研究等領(lǐng)域深入開展工作；3）建立中國的神經(jīng)信息平臺、電子網(wǎng)絡(luò)和信息數(shù)據(jù)庫，從而更好地和國外科學(xué)家協(xié)作，共享科研成果和國際資源。

1.人類腦計劃介紹

中國的神經(jīng)信息學(xué)研究2、發(fā)展歷史1891年，Cajal創(chuàng)立神經(jīng)元學(xué)說，認(rèn)為神經(jīng)系統(tǒng)是由獨立的神經(jīng)細(xì)胞組成的，這些神經(jīng)細(xì)胞連在一起組成神經(jīng)通路；1906年，Sherrington提出突觸的概念，他認(rèn)為這是神經(jīng)元之間相互交流信息的場所；1943年，McCulloch和Pitts首次提出M-P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；1948年，Hebb提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)規(guī)則；1952年，Hodgkin,Huxley建立了單個神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型；1950s，1960s，對樹突的功能開始重視，并逐漸認(rèn)識到樹突在神經(jīng)整合中的作用；1960s，1970s，發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)調(diào)制物質(zhì)及第二信使；1970s，計算機(jī)化的影像技術(shù)應(yīng)用于腦研究；1989年，Hopfield提出了學(xué)習(xí)記憶模型，開拓了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于計算機(jī)的新途徑；Amari在統(tǒng)計神經(jīng)動力學(xué)、神經(jīng)場的動力學(xué)理論、聯(lián)想記憶，特別在信息幾何方面作出了一些奠基性的工作；1990年，美國開展了“腦的十年”的研究計劃；1991年歐洲也成立了“歐洲腦的十年”委員會，推行“歐洲腦的十年”計劃；1996年，瑞士《世界經(jīng)濟(jì)論壇》上宣布成立“腦研究聯(lián)盟”；1996年，日本推出了為期20年的“腦科學(xué)時代”計劃綱要。在我國，1992年把“腦功能及其細(xì)胞和分子基礎(chǔ)”列入國家科委重大基礎(chǔ)研究攀登項目，又把主要腦疾病的防治作為國家“九五”攻關(guān)項目。1995年成立了“中國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會”。

神經(jīng)元的計算模型：（1）離子通道模型（2）電纜特性和房室模型（3）突觸動力學(xué)模型（4）樹突動力學(xué)模型神經(jīng)活動的基本過程：研究神經(jīng)元離子通道及其調(diào)控、突觸傳遞及其調(diào)控、神經(jīng)元受體及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)活動的同步機(jī)理；學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)機(jī)制：神經(jīng)系統(tǒng)因活動和環(huán)境等因素的作用而在結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生改變，這種改變是學(xué)習(xí)和記憶等高級腦功能的基礎(chǔ)。研究產(chǎn)生這種可塑性、特別是神經(jīng)突觸的可塑性的機(jī)制以及學(xué)習(xí)規(guī)則。研究神經(jīng)元回路信息編碼及加工機(jī)理；神經(jīng)元和神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的分子機(jī)制：神經(jīng)細(xì)胞在腦發(fā)育時由神經(jīng)干細(xì)胞分化而來，以后經(jīng)過遷移、長出突起、通過形成突觸互相連接等過程逐步形成復(fù)雜精密的腦。研究調(diào)節(jié)神經(jīng)干細(xì)胞分化、維持神經(jīng)細(xì)胞存活、調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞遷移、突起生長和突觸形成的神經(jīng)營養(yǎng)因子，研究它們的作用和作用機(jī)理；神經(jīng)遞質(zhì)：研究神經(jīng)遞質(zhì)的構(gòu)成，神經(jīng)遞質(zhì)的合成、維持、釋放及與受體的相互作用。

4、研究意義醫(yī)學(xué)上，神經(jīng)科學(xué)所揭示的每一點，都使人類更接近于能夠預(yù)防或緩解像癲癇、帕金森病、阿耳茨海默病等神經(jīng)疾患，以及抑郁癥或者狂想癥等精神疾?。?/p>

計算機(jī)領(lǐng)域，研究人腦有利于制造性能更高的計算機(jī)；哲學(xué)上，動物和人的感知、學(xué)習(xí)記憶、語言思維等現(xiàn)代認(rèn)知科學(xué)的內(nèi)容，理應(yīng)與哲學(xué)中的認(rèn)識論密切相關(guān)，哲學(xué)上唯心論和唯物論之爭也與腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)息息相關(guān)；此外，神經(jīng)科學(xué)研究的發(fā)展也有利于推動數(shù)學(xué)、物理、生物等學(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展。5、國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)：

上海：神經(jīng)科學(xué)所，復(fù)旦大學(xué)，上海交通大學(xué)，華東理工大學(xué)，上海大學(xué)等；

北京：中科院生物物理研究所，北京大學(xué)，清華大學(xué)，北京師范大學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)重點實驗室等；

西安：陜西師范大學(xué)，西安交通大學(xué)，第四軍醫(yī)大學(xué)等；

香港：香港浸會大學(xué)，香港城市大學(xué)

南京：南京大學(xué)(王煒，劉鋒)國外研究機(jī)構(gòu)：

德國：Prof.JurgenKurths,Prof.F.Kaiser（Darmstadt）,Prof.Pikovsky, Prof.AlexanderMikhailov(Berlin,constructnetworkmodel)等新加坡：HuBambi等 美國：Prof.JohnRinzel,Eric.Shea-Brown,PeterJung等 西班牙：JordiGarciaOjalvo等 日本：HideoHasegawa等6、相關(guān)期刊物理類：

PNAS,PRL,PRE,PhysicaD,ReviewofModernPhysics,NewjournalofPhysics,EuropeanphysicsLetter,PhysicaA,PhysicaLetterA,Chaos,IJBC,EuropeanPhysicsJournalB等神經(jīng)類：

Neuron,Brain,J.Neuroscience,Neurocomputation,J.Comput.Neur