科学视角下的“智慧”人脑
【慧聪通信网】编者按:每个人的心中都有一个梦想,有的人,将之藏在心底;有的人,将她变成现实。复旦大学类脑智能科学与技术研究院贾天野就经历了一番浪漫而又波折的追梦之旅,从物理学到生物学,为了梦想,他,砥砺转身,为了读懂智慧人脑,他,拼搏前行。这就是贾天野,一位执着的追梦人。
“人无远虑,必有近忧。”科技的发展亦是如此, 尤其是在人工智能领域,科学家们相信:类脑智能将启迪人工智能发展的新方向,也是实现通用人工智能的最可能路径。
值得关注的是,现阶段类脑智能研究发展依然缓慢。而脑认知机理尚不清楚是主要的制约因素。因此,在科学家们看来,读懂大脑,是实现类脑智能的第一步,也是最关键的一步。
在探索人脑的科研工作者中,贾天野深受关注。他,具有跨多学科的教育和科研背景,长期从事人类认知行为、脑神经影像和生物信息学等方面的跨学科交叉综合性研究,并取得了一系列高水平的、具有国际影响力的研究成果。这一系列的科研成果为精神疾病的诊疗新方法及类脑智能研究提供了重要的启发思路和理论基础。
走上生物学梦想路
从复旦大学物理专业到远赴英国伯明翰大学攻读计算基因组学,贾天野选择了追寻梦想。虽然这样的转变,让他的求学之路充满了坎坷,不仅要快速适应、熟悉一门新的学科,还要在短时间做出成果,但困难并没有让贾天野退缩,反而,让他充满了斗志,5 年的时光匆匆而过,贾天野顺利毕业,昂首走向了一直向往的生物学领域。
2011 年,贾天野作为生物信息研究员加入世界著名的伦敦精神病研究院(现隶属于伦敦国王学院),通过关注青少年“强化”行为的纵向欧洲合作研究——IMAGEN计划,获得海量生物大数据的支持,很快,就有了重要发现。
通过结合神经影像、行为及遗传学信息,他与同事首次实现了“遗传 - 神经机制 - 酗酒行为”的神经生物学模型在人类以及实验动物上的双重验证,并于 2012 年发表在国际权威综合期刊 PNAS 上。该研究引起了社会及学界的广泛关注,例如物质成瘾领域的权威期刊 Addiction Biology 主编、德国海德堡大学精神药理学研究院院长 Rainer Spanagel 教授,在社论式回顾文章中,两次将该研究成果作为“当前最先进的饮酒成瘾遗传学研究范式” 的重要例证。
此后,贾天野通过神经影像的全基因组关联分析、行为遗传学分析及动物模型验证,发现并确认了 VPS4A 基因作为腹侧纹状体奖赏加工及多动行为的遗传学基础,并提出可能的分子神经调控通路。论文发表在 2016 年的PNAS 上,并被荷兰皇家科学院 Barbara Franke 院士在多个综述中作为影像遗传学的重要早期范例详细引用。
在国外奋斗的岁月里,贾天野开拓了思维,积累了丰富的探索经验,但回国回馈母校,也是贾天野一直以来的心愿。2017 年,他的愿望实现了。
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开启解析人脑新征程[/b]
活在当下,研究未来。在科学家的眼中,神经退行性疾病及精神障碍是大脑疾病;类脑智能是科技发展的未来。两者都与人脑密切相关,由此可见,对人脑运作机理的深入研究,势在必行。尤其是近几年来,探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立与发展人工智能技术为导向的类脑研究,不仅是中国的科研重点,亦是世界的攻关方向。
在这样的背景下,复旦大学类脑智能科学与技术研究院诞生了。这座成立于 2015 年的研究院,在筹备之时,便已开始延揽世界一流人才。贾天野,因其出色的研究成果,成为重点招揽对象。而贾天野本人也早已有回国报效母校的想法,两者“一拍即合”。于是,研究院建成后不久,贾天野作为青年研究员全职加入进来,继续针对人类认知行为和精神障碍进行神经影像及遗传学研究,短短几年,便已成绩斐然。
针对神经影像缺乏可靠的大规模遗传 - 环境交互作用(如其重要的表征物 DNA 甲基化)相关研究的状况,贾天野与 Desrivières 教授通过对来自全世界 11 个甲基化工作组 3337 名人类被试者的数据进行分析研究,发现了海马体积的表观遗传学基础,并原创了 DNA 甲基化“跨组织等效性检验”统计模型,可有效回答表观遗传学中生物学标记物在不同器官 / 组织间的等效性问题。相关一作论文发表在 2019 年的精神障碍研究领域的权威期刊Molecular Psychiatry 上。
针对青少年中常见精神障碍共病和分型的神经基础这一关键科学问题,贾天野从“强化”相关的特异性神经环路入手,构建利用多任务模态神经影像大数据解析多维度行为数据的研究新思路 / 范式,揭示了精神障碍相关行为在不同认知神经环路上的特异性神经标记物,为跨疾病诊断及分型治疗提供了重要的理论基础。这一研究被英国皇家学会 Trevor Robbins 院士称赞为“开创性的”。相关一作兼共同通讯论文发表于 2020年的 Nature杂志子刊、国际权威综合性期刊 Nature Human Behaviour 上。
科研永无止境,贾天野的研究也越发深入。在最新的酗酒成瘾研究中,他发现,人类的很多看似迥异的成瘾行为背后,可能存在相似的大脑机理。
2018 及 2019 年发表在 Science 的动物模型显示,一个包括皮层上脑区内侧前额叶(mPFC)、皮层下脑区背侧导水管周围灰质(dPAG)以及杏仁核中央核(CeA)在内的“负向刺激”调控神经环路可能与鼠类酗酒行为的产生有关。其中,dPAG 是调控动物回避危险信号的核心区域,而 CeA 则负责情绪调控。
受此启发,贾天野与其指导的博士生谢超首先在人类数据中验证了上述动物模型的有效性:即,当存在负向信号的情况下,信息中枢内侧眶额叶(mOFC)对 CeA 的抑制性调控的减弱,与酗酒行为的增加相关,但这一效应可能随着大脑的发育(例如情绪控制能力得到增强)而消失;而与此同时,mOFC 对 dPAG 的抑制性调控增强也会诱发酗酒行为,这一效应源于个体忽略了酒精带来的负向效果,因而产生无法停止的强迫性饮酒,并且这一效果不会随着大脑的发育而消退。这些发现都佐证了动物实验中结果在人类中的可迁移性。
但出人意料的,课题组同时还发现,如果在无外界刺激的基线状态下,mOFC 对 dPAG 的刺激性调控异常增强,也会使得个体对于外界负向刺激过于敏感,进而诱发冲动性的酗酒行为来回避当下的状况。基于上述的发现,课题组进而提出了 mOFC-dPAG 这一“负向信号”通路调控紊乱导致酒精滥用的双通路模型,即对“负向信号”的过度抑制会导致强迫性的酗酒行为,而对“负向信号”的过于敏感则会导致冲动性的酗酒。相关论文《内侧眶额叶与背侧导水管周围灰质调控神经网络在人类酒精滥用中的作用》发表于 2021 年的 Science 杂志子刊、国际权威综合性期刊 Science AdvanCES 上。
这一研究的发现因为突破了传统上专注于“中脑 - 边缘”奖赏系统的成瘾问题研究范式,被英国皇家学会 Barry Everitt 院士称赞为“极其重要”。而英国医学科学院 David Nutt 院士认为此研究“见解深刻”,并对新的治疗手段的开发具有重要的启发作用。
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科研之外的精彩[/b]
科研,是贾天野的核心,但作为青年科研工作者,他也肩负起了更多的责任。其中,代表类脑研究院负责张江国际脑库的建设协调工作也是他的主要工作内容。据贾天野介绍:张江国际脑库(ZIB),是研究院下设的生物医学大数据中心,也是上海市“脑与类脑智能基础转化应用”市级重大专项支持建设的重要基础设施平台。
现在,ZIB 已拥有 UK Biobank、ABCD、HCP 等国际共享数据库 52 万余例。而到 2023 年,它将围绕精神分裂症、抑郁症、自闭症、脑卒中、精神退行性疾病以及大学生人群等 6 个队列共 1.5 万人次,完成环境、行为、遗传、脑影像、神经等 5-O 尺度数据的采集,并在全国建立多个脑科学数据库临床合作点。与此同时,ZIB 也将与全球主流生物数据库建立安全、互利的合作共享机制,致力于建成全球最大规模的全维度脑数据库和算法中心之一。
这个平台一旦建设成功,将会极大的促进脑科学研究工作高效,快速的开展,而其开放的申请机制,对国内的科研工作者而言,更是意义重大。
走过韶华,不负韶华,作为青年研究员的贾天野,一直奔走在探索人脑的路上,随着研究的深入,他将解析更多人脑的秘密,为疾病患者带去治愈的希望,为类脑智能贡献更多的力量。这就是贾天野的愿景,亦是他毕生追求的梦想和目标,故事已经开始,精彩仍在继续 ......
