從“人類腦計劃”到計算神經科學課件

從“人類腦計劃”到計算神經科學韓芳東華大學信息學院2013.9主要內容1.“人類腦計劃”介紹2.計算神經科學概述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

人類有極其復雜的大腦，它是千百萬年進化的結晶。在過去六億年中，生物的進化產生了由大量神經元相互聯(lián)結而形成的神經網絡，解決了在不斷變化的復雜環(huán)境中，人腦如何處理各種復雜信息的問題。人的高級認知功能的高度發(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)，一個成人大腦內有上千億個神經細胞（10的11次方），還有超過10的14次方個神經突觸。

腦是生物體內結構和功能最復雜的組織，是接受外界信號、產生感覺、形成意識、進行邏輯思維、發(fā)出指令、產生行為的指揮部。

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

腦科學的研究熱潮正遍布全球

人腦的結構和功能極其復雜，需要從分子、細胞、系統(tǒng)、全腦和行為等不同層次進行研究和整合，內容極其豐富。世界各國投入了大量的人力和財力進行專門研究：美國：1989年，美國在全世界率先推出了全國性的腦科學計劃，并把20世紀的最后十年命名為“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術組織的響應。美國提出“腦的十年”計劃重點是保護腦，防治腦疾病。1.人類腦計劃介紹

腦科學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年日本學術會議設立“腦科學和意識問題”特別委員會。1996年日本科學技術廳在總結它和通產省等1986年所提出“人類前沿科學計劃”十年實踐結果的基礎上提出了“腦科學時代——腦科學研究推進計劃”，正式提出了“了解腦、保護腦、創(chuàng)造腦”的口號，并指出“了解腦也就是了解人類本身”。

1）以往有關腦的研究包括神經（解剖、生理、病理、生化、免疫、電生理、心理）等，已經獲得了大量有關動物腦和人腦的實驗數(shù)據和研究結果。

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

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、新技術極大地增強了宏觀水平上的腦研究能力，同時也產生了海量的實驗數(shù)據。

1.人類腦計劃介紹

腦的研究正在產生海量的數(shù)據

神經信息學指神經科學和信息學相互結合的研究領域。它是人類腦計劃的核心內容。

目標：利用信息技術，建立神經信息學數(shù)據庫。

1）以便能對不同層次的有關腦的研究數(shù)據，進行檢索、比較、分析、整合、建模和仿真，繪制出腦功能、腦結構和神經網絡的圖譜；

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

1.人類腦計劃介紹

人類腦計劃的核心——

神經信息學

2000年在OECD的科學論壇（GSF）批準下，建立以美國為牽頭國家的神經信息學工作組（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。這標志著神經信息學全球合作計劃正式啟動，其概念已經在國際范圍內得到認可。

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信息學協(xié)調委員會(InternationalNeuroinformaticsCoordinatingFacility，INCF)，負責具體執(zhí)行新一輪神經信息學國際合作計劃（PrograminInternationalNeuroinformatics，PIN）。

1.人類腦計劃介紹神經信息學的建立和發(fā)展

INCF提出神經信息學的最終目標依舊是建立一個有關神經系統(tǒng)所有數(shù)據的全球知識管理系統(tǒng)和網絡協(xié)同研究環(huán)境，組織全世界最頂尖的研究機構和科學家，開展全球性腦科學科研大協(xié)作。目前的任務是協(xié)調全球神經信息學工作、制定神經信息學的發(fā)展計劃、工作指南、數(shù)據標準和共享規(guī)范。

1.人類腦計劃介紹神經信息學的建立和發(fā)展

歐盟自1999年與美國共同成立USA-EC神經信息學雙邊合作組織以來，在全球人類腦計劃/神經信息學國際合作中扮演重要角色，具有很好的工作基礎和突出貢獻。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信息學協(xié)作組織（INCF），成功爭取了國際神經信息學協(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，建立歐洲神經信息學數(shù)據庫，發(fā)行神經信息學SCI雜志。1.人類腦計劃介紹神經信息學在歐洲

歐洲神經科學和計算神經科學研究有著悠久的歷史，因此在對神經信息學的認識上，與美國有所不同。在美國，神經信息學強調神經科學數(shù)據庫的建立和共享，而在歐洲，在致力于建立神經科學共享數(shù)據庫的同時，更強調神經系統(tǒng)中的信息處理的研究信息學工具的開發(fā)。目前，英國醫(yī)學研究委員會（MRC）啟動神經信息學人才培養(yǎng)計劃，開始授予神經信息學博士學位，英國、德國、荷蘭、波蘭等國相繼建立了神經信息學網站投入運行或試運行。1.人類腦計劃介紹神經信息學在歐洲

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工程，它們給整個人類社會帶來了深遠的影響。

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

3)在“人類基因組計劃”之后應該是“人類蛋白質組計劃”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計劃

目前人類腦計劃開展的國際大合作，使用通用數(shù)據庫，統(tǒng)一格式、統(tǒng)一標準，將腦的結構和功能、微觀和宏觀的研究結果聯(lián)系起來，繪制出健康和疾病狀態(tài)下腦的功能、結構、神經網絡、細胞和分子生物學的“圖譜”。成員國的科學家們可以在數(shù)據庫中進行搜索、比較、分析和整合，并進行數(shù)學模擬和仿真計算，這將十分有利于理論假設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性研究。1.人類腦計劃介紹

1）應充分利用我們人類腦資源豐富等優(yōu)勢，積累有特色的基礎數(shù)據；2）在具有中國特色的傳統(tǒng)醫(yī)學（如針灸等）、漢語認知與特殊感知覺的神經信息學研究等領域深入開展工作；3）建立中國的神經信息平臺、電子網絡和信息數(shù)據庫，從而更好地和國外科學家協(xié)作，共享科研成果和國際資源。

1.人類腦計劃介紹

中國的神經信息學研究2、發(fā)展歷史1891年，Cajal創(chuàng)立神經元學說，認為神經系統(tǒng)是由獨立的神經細胞組成的，這些神經細胞連在一起組成神經通路；1906年，Sherrington提出突觸的概念，他認為這是神經元之間相互交流信息的場所；1943年，McCulloch和Pitts首次提出M-P神經網絡模型；1948年，Hebb提出神經網絡學習規(guī)則；1952年，Hodgkin,Huxley建立了單個神經元的數(shù)學模型；1950s，1960s，對樹突的功能開始重視，并逐漸認識到樹突在神經整合中的作用；1960s，1970s，發(fā)現(xiàn)了神經調制物質及第二信使；1970s，計算機化的影像技術應用于腦研究；1989年，Hopfield提出了學習記憶模型，開拓了神經網絡用于計算機的新途徑；Amari在統(tǒng)計神經動力學、神經場的動力學理論、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《世界經濟論壇》上宣布成立“腦研究聯(lián)盟”；1996年，日本推出了為期20年的“腦科學時代”計劃綱要。在我國，1992年把“腦功能及其細胞和分子基礎”列入國家科委重大基礎研究攀登項目，又把主要腦疾病的防治作為國家“九五”攻關項目。1995年成立了“中國神經科學學會”。

神經元的計算模型：（1）離子通道模型（2）電纜特性和房室模型（3）突觸動力學模型（4）樹突動力學模型神經活動的基本過程：研究神經元離子通道及其調控、突觸傳遞及其調控、神經元受體及信號轉導、神經活動的同步機理；學習和記憶的神經機制：神經系統(tǒng)因活動和環(huán)境等因素的作用而在結構和功能上發(fā)生改變，這種改變是學習和記憶等高級腦功能的基礎。研究產生這種可塑性、特別是神經突觸的可塑性的機制以及學習規(guī)則。研究神經元回路信息編碼及加工機理；神經元和神經系統(tǒng)發(fā)育的分子機制：神經細胞在腦發(fā)育時由神經干細胞分化而來，以后經過遷移、長出突起、通過形成突觸互相連接等過程逐步形成復雜精密的腦。研究調節(jié)神經干細胞分化、維持神經細胞存活、調節(jié)神經細胞遷移、突起生長和突觸形成的神經營養(yǎng)因子，研究它們的作用和作用機理；神經遞質：研究神經遞質的構成，神經遞質的合成、維持、釋放及與受體的相互作用。

4、研究意義醫(yī)學上，神經科學所揭示的每一點，都使人類更接近于能夠預防或緩解像癲癇、帕金森病、阿耳茨海默病等神經疾患，以及抑郁癥或者狂想癥等精神疾病；

計算機領域，研究人腦有利于制造性能更高的計算機；哲學上，動物和人的感知、學習記憶、語言思維等現(xiàn)代認知科學的內容，理應與哲學中的認識論密切相關，哲學上唯心論和唯物論之爭也與腦科學和神經科學息息相關；此外，神經科學研究的發(fā)展也有利于推動數(shù)學、物理、生物等學科的進一步發(fā)展。5、國內外相關研究機構國內研究機構：

上海：神經科學所，復旦大學，上海交通大學，華東理工大學，上海大學等；

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

西安：陜西師范大學，西安交通大學，第四軍醫(yī)大學等；

香港：香港浸會大學，香港城市大學

南京：南京大學(王煒，劉鋒)國外研究機構：

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、相關期刊物理類：

PNAS,PRL,PRE,PhysicaD,ReviewofModernPhysics,NewjournalofPhysics,EuropeanphysicsLetter,PhysicaA,PhysicaLetterA,Chaos,IJBC,EuropeanPhysicsJournalB等神經類：

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