从“人类脑计划”到计算神经科学

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1、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

2、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”。

3、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

4、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

5、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

6、、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

7、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