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脑信息科学在成都的崛起

发布时间:2020-05-26

【风雨同舟七十年·文史资料】

 

脑信息科学在成都的崛起

——电子科技大学脑信息学科建设发展回顾

 

尧德中 口述  王晓刚 整理

(该文为第一稿,正式版请参阅书籍

脑科学是近年全球科学研究热点之一,对促进脑机互交、人工智能、脑健康发展具有重要意义。为了抢占科技制高点,美国、欧洲、日本、俄罗斯、以色列、韩国等先后实施重大脑计划,相关项目也被《Nature》《Science》等全球著名学术期刊认为是“比人类基因组计划更伟大的工程”。

我国“十三五”规划把脑科学与类脑研究列为百大工程项目的第四项。令人欣慰的是,经过几十年的发展,四川省在脑科学的研究方面,已经形成了规模,具有了较好的基础,成为国内脑科学研究的重要高地之一,并逐步在国际上具有了影响力。这对今后的科学研究、人才培养、产业发展十分有益。

这一成果的背后,离不开电子科技大学的付出和努力。作为改革开放后的第1代大学生(1965年生于重庆南川),先后尝试了不同的专业(1985重庆西南师范学院物理本科,1988浙江农业大学土壤学硕士,1991成都地质学院地球物理博士,1993电子科技大学微波工程博士后),最后落脚在我最感兴趣的脑科学和电子信息科学的结合点上(1993-),可以说,我参与并见证了电子科技大学脑信息科学“从0到1”的全过程。这也是四川省在脑信息科学领域的发展脉络。

起步:大胆跨界,从零开始研究脑信息科学

脑科学可谓是历史悠久,有几百年了。无论东方还是西方,人类都对大脑都很感兴趣。西方人一开始就认定脑是人体最重要的器官,中国古代则认为心才是最重要的器官,后来才逐渐把研究重心放在人脑上。但是,脑科学早期的研究很多都是以解剖方式,或者是采用生物学、化学的方法。

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20024月24日,尧德中教授在电子科技大学沙河校区作报告

到了20世纪中后期,随着电子信息科学的发展,大家对人脑的认识发生了变化,认识到信息的传播和处理可能是大脑的核心功能,尤其是,大脑的一些疾病可能是脑信息传输出了问题,这样,信息科学与脑科学就有了很好的契合点。

其实,电子科技大学早在1980年就成立了生物电子学研究室,1986年该研究室并入自动化系更名为生物医学工程与仪器教研室。2001年11月,学校以“生物医学工程”专业为基础,整合校内相关师资成立生命科学与技术学院。学校成立学院的目的就是为了进一步推动生物医学与电子信息间的交叉融合,脑信息科学自然是其中的重点。我之所以选择脑信息科学,不仅因为觉得这个研究方向很有意思,也觉得它很有发展前景。应该说,在我之前的电子科技大学生物医学工程专业主要还在医疗仪器、医学信号与图像处理等方面,几乎没有涉及脑信息科学研究,因此,我就成了学校在这个领域“吃螃蟹”的人,在四川省也可能算是比较早地开展脑信息研究的人之一。

这些年,我发表的论文基本上都是关于脑科学的,起初是发表国内刊物,后来更多地在国际刊物上发表研究成果。一路走来,影响力不断扩大,现在包括我们学校、四川省,乃至全国,做脑信息科学研究的学者越来越多了,对脑信息科学的研究也形成了气候,但我们的队伍可能是全国最大的。

 

奠基:夯实基础,逐步形成脑信息人才高地

由于我们的工作,2000年,我作为负责人为学校赢得了生物医学工程一级学科博士授权点。这为我们壮大人才队伍准备了充分条件。那个时候,设立新的博士点是很难的。有了博士点,就为2001年生命科学与技术学院的正式成立奠定了基础,我们也就可以招收对脑信息科学感兴趣的博士生了,,之后一批一批的博士生毕业,充实到本校和全国的脑信息科学方向上。

 

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2005年4月20日上午,李朝义院士(中)与生命科学与技术学院师生座谈

同时,我们也加大了人才引进力度。尤其是2005年,我们邀请到了中国科学院重大交叉前沿研究项目“脑和意识研究”的首席科学家李朝义院士加盟,由此使我们在脑信息领域的研究力量有了“里程碑”式的发展。

李朝义院士曾任国家基金委神经科学、心理学、病理生理学和医学评审组组长。他是做视觉中枢研究的,在视觉信息大范围整合研究方面处于国际前沿,该领域目前已成为国际上研究复杂视觉信息处理神经机制的热点,其中的感受野概念更是当今深度学习人工神经网络的思想源泉。

视觉非常重要,因为人脑获取的信息有超过80%来源于视觉。在他的带领下,我们在神经生物学方向的研究快速发展起来了,学科方向进一步拓展,人才队伍得到了进一步加强。他在生命科学与技术学院带了一个研究组,把人的视觉原理搬过来做图像处理,取得了重要的研究成果。成果其实还是次要的,更重要的是,他把这个研究方向的整个气势带起来了。

现在人工智能很火,而类脑智能可以让人工智能更加智能。我们知道,人在看东西的时候,是没有那么复杂的。一个人的大脑消耗的功率就是25瓦左右,但是,如果要做一个同等功能的计算机来模拟大脑,可能要一个很大的电站专门来为这个计算机供电。也就是说,类脑智能的效率,将比目前基于电脑的人工智能提升许多个数量级。因此,类脑智能是人工智能的未来趋势。可见我们当时选择这个方向,还是有一定前瞻性的。

 

加速:平台建设不断取得新成绩

我自己在2005年也有一些进步,很荣幸地评上了国家杰出青年科学基金(简称“杰青”)。当年,我应该是脑信息领域唯一的“杰青”。那个时候评“杰青”还是比较困难的,每年只评100名。成为“杰青”,我们可以接触到更多的同行,开展更多的交流,建设更好的平台。所以,2005年既是我个人的一个里程碑,也是我们学科的一个里程碑。

这一时期,我对脑信息的一些基本物理概念进行了研究,发展了脑电的电荷源模型及其系列成像技术、脑电的无穷远参考电极技术、基于延时相关的脑电信息提取技术、选择性注意的脑电信号模型等,其中的参考电极技术现在已经成为多个国际指南推荐的主要参考之一。

到了2008年,教育部也意识到信息科学与脑科学结合的重要性,于是,在这年年底的教育部重点实验室建设指南里,列了一个神经信息方向。客观地讲,学校当时对我们申报教育部重点实验室没有多少信心,只是那个指南里没有适合其他老牌学科申报的方向,因此,学校就抱着姑且一试的态度放手让我们去报。

结果,我们一下子把全国其他单位都给PK下去了。这一年,教育部正式批准建立神经信息教育部重点实验室。到现在,在脑信息科学领域,教育部重点实验室应该是最高级别的平台了。

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2012年6月18日,神经信息教育部重点实验室顺利通过验收

后来,我们又成功申请了科技部神经信息国际联合中心、国家外专局神经信息学科创新引智基地、高场磁共振脑成像四川省重点实验室等平台,也带动国际国内更多的优秀学者汇聚而来,我们的研究方向也慢慢扩展到了越来越多的领域。

现在我们有几大方向:

第一是神经工程,即用信息技术研究大脑,比如,刘铁军教授做的仪器,通过检测脑电来研究大脑的功能,它的优点就是无痛、无创,现在国内外已经有20多家单位使用这个脑电仪器。我们在这个领域也做了很多算法,获得了国际国内广泛使用,算是达到了国际先进水平。这个方向,我们还聚集了磁共振方向上的张涛教授等优秀人才。

第二是神经成像,就是研究大脑是怎么运转的,比如,通过影像方法来研究大脑的神经网络连接,这方面比较突出的有陈华富教授、罗程教授、廖伟教授等。再有,我们引进了爱思唯尔中国高被引学者Keith Kendrick教授、美国医学生物工程院 Fellow、全球高被引学者Biswal教授、青年千人Becker教授等,都在国际上有较大的影响力。

第三是类脑智能,现在我们在做视觉图像处理机制的模仿研究,以后要像欧洲“脑计划”那样尝试把大脑功能完全用计算机重构出来,或者做出与人脑一样复杂的智能系统来。这是一个极其复杂的系统工程。在这个方向,我们有外专千人Pedro教授、李永杰教授、郭大庆副教授等正在研究。

第四是脑器交互。这是我们提出的一个新概念,并正在努力创建一个新的学科(Bacomics—脑器交互学),通俗地讲,就是用脑电信号来控制机器或生物体自身的器官,并接受它们的反馈影响。比如,有的病人不能说话了,我们可以把他的脑电“翻译”成机器语言;或者如果不能动了,可以把脑电信号传输到机械臂上。我们的肠胃不高兴了,它会引起大脑的情绪波动,我们需要知道其中的道理。在这个方向上,我们有优秀青年基金获得者徐鹏教授等正在研究。

 

特色:把脑波信号翻译成了音乐

天文学家开普勒在五线谱上标记每个行星的角速度,这些角速度之间的比例竟然可以形成和弦。其实,脑波与音乐之间也有神奇的联系。通过大量的实验和文献分析研究,我们发现,脑电信号与音乐具有一些共同的科学属性。

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2015年4月16日,“长江学者”尧德中教授解读“脑波音乐”

在此基础上,我们再往前走了一步,探究脑电信号可否转换成音乐的问题。我们把脑电信号的“振幅”翻译成音乐的“音高”,把脑电信号的“周期”翻译成“音长”,把脑电信号的“功率”翻译成“音量”。这样,一组脑电信号就可以轻松翻译成一组旋律,并在计算机上进行播放。

这个音乐翻译出来效果还不错,大脑的不同状态或者疾病,音乐都是不一样的,这也为我们观察脑的活动提供了另一条道路,且更加有趣、也更加直观。把脑波音乐应用于临床治疗,也可能取得意想不到的效果。

第一种用法是监测脑活动状态。由于大脑在不同精神状态下的脑波特性各异,脑波音乐会随之变化。例如,癫痫病患者的脑波音乐听起来“杂乱”无章,且时不时有突如其来的简短强音(脑电异常发放);而老年痴呆患者的脑波音乐,则像一条宁静的河流,当把这种音乐转换成古筝曲时,更加显得荡气回肠。我们可以从脑波音乐反向推测大脑的活动状态,虽然老年痴呆患者无法表达自己的感受,但从其舒缓的脑波音乐中可以推测,他的内心或许很宁静,幸福指数可能并不比我们低。

第二种用法是缓解疼痛。以年轻人喜欢的牙齿矫形手术为例,如果我们把这些人的脑电信号转换成脑波音乐,然后把接受测试的人分成两组,一组听自己的脑波音乐,另一组作为对照组,不听脑波音乐但接受正常的心理认知干预。最后的结果是:听自己的脑波音乐的人,其疼痛指数明显低于对照组。

第三种用法是用脑波音乐来探究并帮助艺术创作。脑波音乐本身即是一种“实验音乐”的形式,除此之外,聆听自己的脑波音乐是否可以强化自己的某种天分呢?那么,脑波音乐与灵感的产生之间可有何种联系?让音乐家聆听自己的脑波音乐和各类特殊人群的脑波音乐,是否会促进创作灵感的产生呢?这些我们还在探索。

当然,探索无止境。音乐的本质是什么?“音乐天赋”到底有没有遗传性?音乐幻听从何而来?音乐会给科学研究带来更多灵感吗?脑电信号的频段划分为什么也符合黄金分割?……现在,我们有诸多“天问”都有待探究。尤其是,要把脑波音乐应用于临床,需要更多具有数学、仪器等学科背景的同学们投身于这项事业。

 

拓展:跨界合作,推动脑科学研究开启新征程

随着我们的队伍和实力壮大,我们在国内外的影响力也不断提升,交流与合作的广度和深度都有了进一步的拓展。

2014年9月,独创性地提出“大范围首先”的拓扑性质知觉理论国际著名学者、中国科学院院士陈霖教授受聘为我校双聘院士; 2016年8月,成都市第四人民医院,经成都市编办核准,正式成为电子科技大学成都脑科学研究院临床医院,学校心理学(认知心理和临床心理)学科正式起航。

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2014年9月29日,陈霖教授作为双聘院士正式加盟电子科技大学

2016年4月25日,李克强总理视察成都科学城,寄望成都科学城做新经济核心区、新动能拓展区。按照总理的要求,成都市提出以成都科学城为核心,争创国家科学中心和技术创新中心。

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2016年9月24日,成都市委常委、常务副市长朱志宏与古巴生物医药集团总裁卡洛斯·古铁雷斯在古巴首都哈瓦那签署协议

2016年古巴当地时间9月24日下午,在李克强总理与古巴国务委员会主席兼部长会议主席劳尔·卡斯特罗的共同见证下,时任成都市委常委、常务副市长朱志宏与古巴生物医药集团总裁卡洛斯·古铁雷斯在古巴首都哈瓦那签署《成都市人民政府与古巴生物技术和医药产业集团关于启动中国(成都)-加拿大-古巴脑计划的战略合作框架协议》。


这个协议其实是由我们学校的国家级国际合作基地“神经信息国际联合研究中心”与加拿大麦吉尔大学(Mcgill)和古巴神经科学中心三家单位共同发起的三方科技合作计划,之后提升成为成都市政府、古巴生物医药集团、加拿大魁北克政府共同议定的重要协议。

此次协议的签署标志着中国(成都)(China)、加拿大(Canada)、古巴(Cuba)三方(CCC)将启动国际脑计划合作(简称CCC合作)。现在,该计划已经获得了国家自然基金委、科技部和四川省科技厅等方面的支持。

《协议》明确要以电子科技大学为依托,与加拿大麦吉尔大学、古巴神经科学中心联合开展科技合作,并协同在蓉的华西医院、四川省人民医院等,在成都发展脑科学与类脑技术,尽快成为国内第一、国际一流的知识发现、技术创新和学术交流基地。

这个“CCC合作”由我们发起(电子科技大学尧德中,古巴神经科学中心Pedro, 加拿大Mcgill大学Alan Evans),获成都市政府认可并大力推动,其影响已经从最初的科研到现在的国际联合办学(电子科技大学-Mcgill大学联合硕士项目已经启动)、产业发展(中国西部科学城(成都)/成都高新区正在谋划推动)、医疗合作(成都第四人民医院-Mcgill大学精神科医院、华西医院-mcgill大学神经科医院),经济社会影响正在进一步扩大。这个合作也可能成为中国(成都)参与国际科技合作的一个小小的范例,事实上,“CCC合作”在国内外的影响力还在不断扩大,带动了很多脑科学国际会议到成都举办,并且成为新近出现的国际脑科学联合组织(Global Brain Consortium)的有力参与者。对成都而言,更重要的是,它对整合成渝脑科学与类脑研究力量和资源,更多地参与国际国内脑科学和类脑研究与产业发展活动,起到了很重要的推动作用。

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2018年12月15日四川省脑科学与类脑智能研究院揭牌成立

2018年12月15日,我们又联合四川省人民医院、四川省肿瘤医院、成都市精神卫生中心成立了四川省脑科学与类脑智能研究院,我很荣幸担任了首任院长。这是四川省政府构建“5+1”现代产业体系,推进脑科学与人工智能产业发展的重大举措,希望对四川省经济社会高质量发展和全域开放战略的实施发挥尖兵作用,为推动四川经济社会高质量发展、建设科技强省做出新的更大贡献。

其实,四川省作为中国西部最主要的科技创新中心,在发展脑科学方面是有一定优势的。四川聚集了电子科技大学、华西医院、四川省人民医院、四川省肿瘤医院、成都市第四人民医院等一大批优秀研究单位,建成了多个国家级平台,形成了鲜明的脑科学与信息科学互动的研究格局。  

未来,研究院将主攻三个方向,包括整合、共建、研发科研装备,共建世界水平的脑成像中心;营造创新科学氛围,聚集国际高端人才,建成国际顶级脑科学中心;瞄准国家重大需求,推动类脑智能技术进步。

 

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2019年3月7日,全国人大代表、电子科技大学教授尧德中接受封面新闻记者采访时表示,“智能+”提法是一个创新,这一提法有着更宽的视野,也是一项更长远的规划。

经过近二十年的发展,我们在脑信息科学领域已经实现了与国际并跑的格局。我想,只要我们坚持不懈地努力,就一定能够取得更大的成果,推动脑信息科学的发展进步。同时,也将为四川省打造该领域的科技、人才和产业高地,做出更多的贡献。

 

附:由成都市政协文化和文史资料委员会编写的《风雨同舟行 辉煌70载》一书由四川人民出版社出版。该书详细记录和展示了建国以来成都发展的光辉历程和伟大成就,展现了成都政协突出团结民主主题、围绕中心履职尽责的生动形象。

经过成都市政协文化和文史资料委员会相关专家学者和政协老同志的认真评选,该书从全市各界200余篇来稿中择优选取48篇稿件,作为建国70年来成都革命、建设、改革进程中发展变迁与不凡业绩的缩影。

书中以《脑信息科学在成都崛起》为题,刊登了我校民进中央委员、民进四川省委副主委,神经信息教育部重点实验室主任,信息医学研究中心主任,生命科学与技术学院尧德中教授的专访。文章详细介绍了尧教授在成都市的关心支持下,带领电子科技大学相关专家团队默默耕耘,将成都市脑科学研究从零开始,发展为国内相关领域研究高地,并逐步享有国际影响力的奋进历程。

相关链接:http://tz.uestc.edu.cn/info/1031/2187.htm