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希望能夠在這上面開(kāi)展一些研究。這是三個(gè)方面的研究。也想和各位交流一下。
尤其是人腦，腦。構(gòu)造非常復(fù)雜。腦有上百億的神經(jīng)元，還有分支等連接起來(lái)，一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。生命科學(xué)發(fā)展至今，從基因組到單細(xì)胞，從轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)到精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)，均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但是人類至始至終還不夠明白—腦究竟起什么作用？腦的作用是非常復(fù)雜的有兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是從腦神經(jīng)到各個(gè)器官的連接系統(tǒng)；另一個(gè)是通過(guò)免疫系統(tǒng)的再反饋系統(tǒng)。這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，怎樣把腦的東西了解清楚，人類一直要探索的重要方向。尤其是本世紀(jì)，科學(xué)家應(yīng)該力圖去解決這個(gè)問(wèn)題。
800多個(gè)神經(jīng)元和整個(gè)器官免疫系統(tǒng)連接，腦神經(jīng)的連接。加起來(lái)超越整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)的總和。本世紀(jì)初，對(duì)于腦的困惑和問(wèn)題主要是哪里？第一個(gè)是居然不知道800多個(gè)腦神經(jīng)有哪些行為動(dòng)作？第二個(gè)是不知道大腦的結(jié)構(gòu)圖。第三個(gè)是大腦的神經(jīng)元在控制我語(yǔ)音和視覺(jué)時(shí)，不知道哪些神經(jīng)元在視覺(jué)或者是聽(tīng)覺(jué)中起作用？還有就是如何了解神經(jīng)細(xì)胞與個(gè)體行為的相關(guān)性？所以這四個(gè)方向是腦科學(xué)目前和臨時(shí)要解決的工作，與人工智能有著密切的關(guān)系。
試圖找到第一個(gè)做腦科學(xué)研究的科學(xué)家。雖然不知道最早做腦科學(xué)研究的誰(shuí)，為了做腦科學(xué)的研究。但是知道第一個(gè)做腦科學(xué)的獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人是誰(shuí)—現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)之父Cajal最主要的工作是用顯微鏡最終繪制出了神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)圖，所以他做腦科學(xué)研究的第一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的人。100多年來(lái)有20多位科學(xué)家獲得了腦科學(xué)方面的諾貝爾獎(jiǎng)。神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，信息傳送、神經(jīng)細(xì)胞怎么傳送，大腦認(rèn)知和感知，還有其他神經(jīng)科學(xué)，這些領(lǐng)域的研究獲得了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。網(wǎng)格細(xì)胞與人工智能有極大關(guān)系。最重要在上面，現(xiàn)在提出的腦計(jì)劃相比于2013年開(kāi)始提出來(lái)的第一代，除了剛才說(shuō)的四個(gè)研究工作，加了一個(gè)內(nèi)容，即最后的一條內(nèi)容—提出新一代人工智能的理論與方法。從機(jī)器感知、機(jī)器學(xué)習(xí)到機(jī)器思維和機(jī)器決策的顛覆性模型和人工智能的方式，這是腦科學(xué)的一個(gè)重要補(bǔ)充。
可以看出做什么研究是最重要的環(huán)節(jié)。美國(guó)腦計(jì)劃分成四大組成，國(guó)提出一體兩翼—腦科學(xué)和類人腦方面的工作。如果開(kāi)展工作。其中兩個(gè)組成都和觀測(cè)有關(guān)，怎么去看細(xì)胞的信息傳送和關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及細(xì)胞自身的特點(diǎn)；也就是說(shuō)，觀測(cè)的儀器是腦科學(xué)必不可少的重要的工具。
成像時(shí)，進(jìn)一步調(diào)研發(fā)現(xiàn)?？吹椒直媛首銐蚋邥r(shí)，看到視野就非常??；而看到視野非常大時(shí)，分辨率就比較低。進(jìn)行了進(jìn)一步的分類。第一個(gè)是1982年諾貝爾獎(jiǎng)，視場(chǎng)小，分辨率比較低，但獲得貓視覺(jué)的響應(yīng)，突破了對(duì)人工智能的結(jié)構(gòu)，做出了巨大的貢獻(xiàn)。第二個(gè)是2014年超分辨率的諾貝爾獎(jiǎng)，對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的分類進(jìn)行了觀測(cè)。大家知道，X光機(jī)、核磁共振等技術(shù)視場(chǎng)非常大，分辨率非常低，達(dá)到毫米級(jí)，看不到神經(jīng)元。
還有大視場(chǎng)高分辨等四個(gè)象限，還有大視場(chǎng)方面的特點(diǎn)。用兩個(gè)坐標(biāo)標(biāo)識(shí)它紅坐標(biāo)是中間尺度、小視場(chǎng)和高分辨率。高分辨率，視場(chǎng)大，分辨率還要高，這是國(guó)際上非常熱的科研沃土。大家都在關(guān)注這方面的研究。
六位科學(xué)家中，首先一個(gè)腦科學(xué)工作是2017年。三位是做腦成像，三位是做腦關(guān)系的拿到1.5億美元的支持。希望看到一個(gè)視野有多大？把一條斑馬魚(yú)能夠裝進(jìn)去，斑馬魚(yú)有3000多條神經(jīng)元，要觀測(cè)清楚，并且要觀察到具體行為。這些行為是怎么連接的這個(gè)工作是一個(gè)五年計(jì)劃，這是一個(gè)事例。以前的顯微鏡只能看四分之一，現(xiàn)在要做全視場(chǎng)的研究工作。
一個(gè)是結(jié)構(gòu)；一個(gè)是功能。大家都知道，難在什么地方？有兩個(gè)方面。一個(gè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)決定功能。神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是首要的那么在這里，藍(lán)色區(qū)域是光學(xué)顯微鏡，只占一塊，不能看全腦系統(tǒng)；下面是功能核磁，客觀測(cè)動(dòng)態(tài)腦區(qū)級(jí)功能活動(dòng)。解到腦區(qū)的功能，但是劃分不出邊界，細(xì)胞大概就是幾個(gè)微米，其分辨率只能達(dá)到毫米。所以國(guó)際上，大視野高分辨的觀測(cè)儀器一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
計(jì)算了一下，國(guó)際上做這個(gè)方面的工作團(tuán)隊(duì)。大概有300多個(gè)，具有典型的代表有加州理工、麻省理工、霍華德休斯學(xué)院、北卡醫(yī)學(xué)院等?？梢钥吹揭晥?chǎng)很大，分辨率也很低；而分辨率很高時(shí)，視野較小。神經(jīng)元在動(dòng)態(tài)連接的過(guò)程中，瞬間的變化就難以捕捉到這幾個(gè)研究都存在這方面問(wèn)題。
要做一個(gè)大視場(chǎng)、多尺度，總之。動(dòng)態(tài)連續(xù)觀測(cè)的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，比擬難的一件事。2016年英國(guó)十大進(jìn)展學(xué)會(huì)，6mm6mm3mm視場(chǎng)擴(kuò)展，分辨率非常高，0.8μm縱向分辨率8μm其的十大進(jìn)展之一。
怎樣巧妙設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)？這里存在問(wèn)題也非常大。根據(jù)這方面的工作，要做寬視場(chǎng)和高分辨是核心的難題。也聯(lián)合了國(guó)內(nèi)幾家單位開(kāi)始攻關(guān)。2009年我深圳開(kāi)會(huì)，研討了底需要什么樣的東西才干和我信息結(jié)合起來(lái)；2012年我開(kāi)始做腦皮層神經(jīng)、腫瘤轉(zhuǎn)移的觀測(cè)。現(xiàn)在有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院三家單位聯(lián)合研制，設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)算攝像的系統(tǒng)。給出原有的光照，結(jié)合我強(qiáng)項(xiàng)計(jì)算重建，加入計(jì)算光照和模型算式。通過(guò)幾年的努力，平臺(tái)構(gòu)建、元件加工、模塊裝配到系統(tǒng)集成，完成了這樣一個(gè)儀器。儀器里最重要的創(chuàng)新點(diǎn)涉及到什么？用儀器成像原理做了曲面，來(lái)做成像，用多個(gè)傳感器取得曲面成像。
一個(gè)是壓縮感知，智能成像模型有兩個(gè)成果。提出了LOGSUM范數(shù)算法；一個(gè)是metricLearn度量學(xué)習(xí)，完成了一個(gè)算法的工作。通過(guò)幾年的工作，研制了很多儀器，如RUSH實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)。
1cm1.2cm視場(chǎng)足夠大。最大的特點(diǎn)是國(guó)際上同類儀器中成像速度最快的還有通量也是國(guó)際儀器中最大的通量越多，可以看到與國(guó)際上先進(jìn)儀器相比。描述時(shí)間的細(xì)節(jié)越豐富。通量是5.78
代表了不同的深度。腦皮層達(dá)到100μm這是動(dòng)態(tài)圖里截取出來(lái)的這張圖誕生于2017年7月，這是去年拍到第一張全腦的圖。大家可以看到不同的顏色。做的第一張完全事動(dòng)態(tài)的圖，一張圖7個(gè)G
這樣的儀器也帶來(lái)了很多生命科學(xué)的實(shí)驗(yàn)。
核磁共振開(kāi)始呈現(xiàn)時(shí)，首先是顛覆科學(xué)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。這里最重要是做一件什么事？1991年開(kāi)始。有一個(gè)假設(shè)就是神經(jīng)細(xì)胞的作用和血氧是有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)門派，一個(gè)認(rèn)為有關(guān)聯(lián)；另一個(gè)認(rèn)為沒(méi)有關(guān)聯(lián)。核磁共振技術(shù)無(wú)法驗(yàn)證這樣一個(gè)假設(shè)，但是儀器可以試圖解決這方面的工作。
吹小鼠胡須時(shí)，使用小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？梢钥吹竭@個(gè)神經(jīng)元的變化，和神經(jīng)血管的供應(yīng)是有關(guān)聯(lián)。已經(jīng)做了上千次實(shí)驗(yàn)，但是并沒(méi)有說(shuō)明它底有沒(méi)有關(guān)聯(lián)，所以這個(gè)實(shí)驗(yàn)還要繼續(xù)做下去?，F(xiàn)在北卡醫(yī)院的兩個(gè)教授還在和我做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)一旦勝利，不論有關(guān)系或者沒(méi)有關(guān)系，將會(huì)給科學(xué)界帶來(lái)非常大的震撼?，F(xiàn)在有很多生命科學(xué)家也繼續(xù)發(fā)郵件詢問(wèn)結(jié)果。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行，目前還沒(méi)有準(zhǔn)確結(jié)果。
包括帕金森、老年聰慧等，也可以在探索腦疾病上進(jìn)行相關(guān)的研究。最重要的腦疾病。病例很多。這是腦腫瘤，與第三軍醫(yī)大學(xué)開(kāi)展的工作，這是活體細(xì)胞的展示。目前的技術(shù)需要5~7天才能確定有沒(méi)有腫瘤，用這臺(tái)儀器3ms就可以診斷結(jié)果。所以第三軍醫(yī)大學(xué)，從去年開(kāi)始就希望訂購(gòu)這臺(tái)儀器。
這個(gè)儀器可以實(shí)現(xiàn)，剛才說(shuō)了哈佛大學(xué)需要看到多條斑馬魚(yú)。這個(gè)研究是什么？研究腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)形成腫瘤的過(guò)程是什么?？梢钥吹郊?xì)胞的運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞怎么轉(zhuǎn)移？往哪里轉(zhuǎn)，什么環(huán)境下轉(zhuǎn)？這是非常重要的一項(xiàng)研究工作，就是多條斑馬魚(yú)的共同觀測(cè)。
切得少了沒(méi)有把腫瘤切干凈，第二個(gè)可以看到小鼠全腦在運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)免疫細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞是相反的過(guò)程。腦腫瘤手術(shù)中最難的確定它邊境。切多了把人切傻了這個(gè)單細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)也引起了醫(yī)學(xué)界的轟動(dòng)。比方同濟(jì)醫(yī)學(xué)院，跟蹤一個(gè)細(xì)胞就能知道后面的情況，可以確定邊境到底有多大。
這是一個(gè)最重要的研究工作。還有一個(gè)是癲癇病的切換，可以看到中風(fēng)前和中風(fēng)后細(xì)胞的變化區(qū)域在哪里？損傷以后形成中風(fēng)。自發(fā)癲癇波的發(fā)生，哪些發(fā)生癲癇波，哪些癲癇細(xì)胞沒(méi)有發(fā)生，發(fā)生和不產(chǎn)生到底有什么關(guān)聯(lián)，這是國(guó)際上都在探討的同時(shí)我又給它一個(gè)刺激的波，電極安慰下發(fā)生癲癇波，哪些是自發(fā)發(fā)生，哪些是電極刺激產(chǎn)生。
能夠給出一個(gè)藥物判斷。藥物判斷這個(gè)是和制藥公司做的試驗(yàn)，這些工作對(duì)于加速藥物研發(fā)也起到很大的作用。大家知道心梗帶來(lái)了非常大的危害。底心臟細(xì)胞怎么運(yùn)作。通過(guò)高通量的心肌藥物，哪種藥起作用，哪種藥不起作用。
如何推動(dòng)人工智能的發(fā)展，這是生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)上簡(jiǎn)單的匯報(bào)。希望做一些貢獻(xiàn)。
胡貝爾對(duì)人的視覺(jué)系統(tǒng)起到非常重要的作用。腦神經(jīng)元之間的信息傳送機(jī)制是什么？可解釋人工智能才干提供生物學(xué)的范例。國(guó)際上為了做這件事，大家知道。也投入了1億美金，啟動(dòng)了阿波羅腦計(jì)劃。想要摸清一個(gè)立方毫米10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的研究關(guān)系，包括活動(dòng)和連接關(guān)系，最后形成大數(shù)據(jù)。想，計(jì)算神經(jīng)元的模型和機(jī)器學(xué)習(xí)的模型能不能打通，能不能在這里找到一個(gè)工作。
現(xiàn)有人工智能基本上是同類大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，實(shí)際上。未來(lái)的人工智能會(huì)融入各種感知與 包裝設(shè)計(jì)記憶數(shù)據(jù)和信息傳送機(jī)制是什么？現(xiàn)在還沒(méi)有找到這個(gè)信息傳送的機(jī)制，硬學(xué)。怎樣從感知到?jīng)Q策與控制，做到認(rèn)知到?jīng)Q策與控制，這樣的一個(gè)工作使得人工智能具有主動(dòng)性。希望能夠通過(guò)腦觀測(cè)和腦認(rèn)知的結(jié)合來(lái)做腦模擬?，F(xiàn)在這個(gè)儀器，可以看到百萬(wàn)級(jí)的神經(jīng)元，對(duì)于它連接狀態(tài)是什么？現(xiàn)在還沒(méi)有看到視覺(jué)連接行為，但是已經(jīng)找到聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)的環(huán)路局部，也沒(méi)有找到全部。下面是國(guó)際上第一個(gè)看到小鼠聽(tīng)音樂(lè)，全腦神經(jīng)元的變化。這是小鼠在聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，那邊是神經(jīng)元的整個(gè)連接狀態(tài)。亞細(xì)胞級(jí)、結(jié)構(gòu)功能的統(tǒng)一，這是國(guó)際上第一個(gè)拿出的結(jié)果。小鼠的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的神經(jīng)圖就是腦連接的狀態(tài)。同時(shí)還可以看到海馬區(qū)分層神經(jīng)元的連接狀態(tài)，這里我找到局部信息傳送的這種機(jī)制方式?？梢钥吹竭@是一個(gè)毫米級(jí)的神經(jīng)元在傳送。希望在這里分析它模型，找到工作規(guī)律，為人工智能的信息傳送機(jī)制帶來(lái)一些好的算法和模型。
從2017年開(kāi)始我做了近兩年的生命科學(xué)和人工智能方面的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@個(gè)儀器做出來(lái)以后。也得到國(guó)際上很多學(xué)者的關(guān)注。
分辨率和視場(chǎng)加起來(lái)不是國(guó)際最領(lǐng)先的但我通量是領(lǐng)先的要突破400nm國(guó)際領(lǐng)先。元器件已經(jīng)完成了希望在2019年的1月完成400nm最高分辨率集成。但是目前還缺經(jīng)費(fèi)。目前。
有10位老師帶著博士生討論清晰動(dòng)物全腦實(shí)時(shí)成像數(shù)據(jù)，現(xiàn)在有一個(gè)團(tuán)隊(duì)專門做大數(shù)據(jù)分析。讓小鼠看不同的顏色、不同動(dòng)態(tài)的物體，視覺(jué)環(huán)路是怎樣的另外還要研究比方神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶決策和控制的機(jī)制。同時(shí)又組成了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在做微觀成像，就是分子成像，看細(xì)胞—個(gè)體細(xì)胞的特征和整體細(xì)胞的聯(lián)系。通過(guò)微觀和宏觀來(lái)看能不能做尺度上的總體成像，為人工智能提出一些新的線索和方式。這個(gè)研究非常復(fù)雜，也要持續(xù)的研究。
生命是會(huì)發(fā)生變化的生命進(jìn)化到現(xiàn)在人工智能階段，未來(lái)方向。第一個(gè)方向。隨著資料科學(xué)的發(fā)展，未來(lái)的生命會(huì)發(fā)生新形態(tài)和新業(yè)態(tài)的變化，比方我人造器官都會(huì)造出來(lái)，人工智能和我器官都已經(jīng)在一起，真正實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主動(dòng)式的人工智能。
有三人的小團(tuán)隊(duì)，第二個(gè)方向。正在調(diào)研腦聯(lián)網(wǎng)，就是解決國(guó)際上的下一個(gè)問(wèn)題，意識(shí)能不能存儲(chǔ)。這個(gè)問(wèn)題是比擬前沿的也正在做這方面的分析。希望能夠提出一點(diǎn)想法。
量子計(jì)算離我還有不遠(yuǎn)的距離。因此我提出了光電計(jì)算，第三個(gè)方向是光電計(jì)算。現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)基于硅級(jí)的納米。把光子器件和硅基集成在一起，對(duì)人工智能的發(fā)展起到非常大的作用?，F(xiàn)今復(fù)雜的算法使得我很多工作沒(méi)有方法往下推進(jìn)。光電計(jì)算如果用好了可以引領(lǐng)新一代摩爾定律的發(fā)生。如果光電計(jì)算形成，存儲(chǔ)和計(jì)算一體化的就變成了什么？就變成了皮米級(jí)的工作?，F(xiàn)在納米級(jí)的如果做到皮米級(jí)的工作，可以帶來(lái)新的摩爾定律的變化。
