本文在分析国际脑科学与类脑智能发展态势的基础上,阐述了中科院在脑科学与类脑智能研究方面的部署,提出了进一步加强脑科学与智能技术融合的举措与建议。
脑科学是生命科学的研究前沿,是社会经济发展的需求
脑科学是以脑为研究对象的多学科汇聚的新兴研究领域,是研究人、动物和机器的认知与智能的本质与规律的科学。脑科学研究的核心问题是人类认知、智能和创造性的本质以及意识的起源,包括从较为初级的感觉、知觉,到较为高级的学习、记忆、注意、语言、抉择、情绪、思维与意识等各个认知层面的脑高级认知功能。
人类大脑是自然界中最为复杂的系统之一,其复杂性表现在,它由 1000亿个神经元细胞组成,含有 100万亿以上的突触连接,具有非凡的信息处理与决策能力,它是一切人类智力产生的基础(图1)。
加强多学科交叉助推脑科学前沿研究
脑的各种高级功能是由极其复杂和高度动态的神经联结体系执行和实现的,对这一系统的深入解析依赖于生物、物理、化学、材料、电子、信息等多学科最前沿技术的交汇融合。
超快激光技术。采用飞秒钦宝石激光器、参量振荡器并结合腔内倍频,通过优化设计和自动调节获得适用于神经生物学成像的宽调谐、大功率的飞秒激光系统。
面向神经生物学研究的研制超高速图像采集存储系统结合硬件压缩、新型图像处理架构、高速模数混合系统建模仿真和高速数据接口等新型技术手段,开发集成实时压缩、高带宽大存储的图像采集存储系统。
发挥多学科交叉的优势,通过多个院属研究所的紧密合作,协同攻关,针对脑功能联结研究的特点开展技术研发与自主创新,包括:
(1)新型神经电极阵列制备技术。即在硅基金属电极和石墨烯纳米传感器的脑科学和智能技术是科学界研究的热点,近年来基础上,设计并研制具有高分辨率、高信噪比和生物亲分别取得了很大成就,但是相互之间借鉴和交叉仍然较和性的微电极阵列和石墨烯电极阵列,用于神经元集群少。人工智能发展面临新的瓶颈,呕需从脑科学获得启活动的记录。
(2)神经活性物质电化学检测方法和系发,发展新的理论与方法,提高机器的智能水平:同统。从发展高灵敏、高选择、抗污染和高稳定的电化学时,智能技术发展也有助于脑科学取得进一步突破,类活体传感,研发双模双向记录检测,对电化学、电生理脑智能研究将为脑功能联结图谱研究提供仿真手段,以和光遗传技术 3 个方面进行耦合,开展神经递质信息检仿真系统与平台的方式支持脑功能联结图谱研究的科学测方法和系统的研究。
(3)用于生物光学成像的多波长假设验证,并为脑功能联结图谱的研究成果提供广泛的,这些新技术的开发和应用将突破脑功能研究的若干技术瓶颈,推动神经科学领域的原创性发现。
全面推进脑科学与类脑智能深度融合
脑科学和智能技术是科学界研究的热点,近年来分别取得了很大成就,但是相互之间借鉴和交叉仍然较少。
人工智能发展面临新的瓶颈,亟需从脑科学获得启发,发展新的理论与方法,提高机器的智能水平;同时,智能技术发展也有助于脑科学取得进一步突破,类脑智能研究将为脑功能联结图谱研究提供仿真手段,以仿真系统与平台的方式支持脑功能联结图谱研究的科学假设验证,并为脑功能联结图谱的研究成果提供广泛的应用前景。
基于脑科学研究的重要性和我国智能技术发展的现状,中科院率先在脑科学和智能技术两大领域进行实质性深度融合。
“脑功能联结图谱”先导专项(B 类 )在保持原有脑科学研究内容基础上,新增类脑智能研究方向,项目数从 5个扩大至9个,同时专项更名为“脑功能联结图谱与类脑智能研究”。
脑科学卓越创新中心也增加了“类脑模型与智能信息处理”与“类脑器件与系统”2个研究方向,扩容后的中心更名为脑科学与智能技术卓越创新中心。
自动化所、计算技术所、半导体所等一大批智能研究领域的研究所加人卓越中心。脑科学与智能技术卓越创新中心以脑认知功能的神经基础、类脑智能计算模型为核心科学问题,通过脑科学与智能技术的交叉融合,将在脑智领域取得重要突破;
中心将研发脑研究新技术,针对国家重大需求,开展脑疾病机理研究与早期诊断和干预手段研发等有应用前景的前沿工作,充分发挥学科交叉优势和非人灵长类动物模型的优势,在脑科学前沿领域,取得国际领先的地位;
中心研究并借鉴脑信息处理机制,通过类脑器件、芯片和类脑机器人等系统的突破,研发类脑智能软硬件系统,引领我国智能产业的发展,增强国际竞争力。