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【走访·课题组】之八:专访脑网络组研究中心主任蒋田仔

  • 发表日期:2013-07-30 【 【打印】【关闭】
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    蒋田仔主任(左)接受访谈

     

    主持人:请首先介绍一下脑网络组研究中心的基本情况吧?

    蒋田仔:脑网络组研究中心(Brainnetome Center)是中国科学院自动化研究所直属的研究单元,主要利用脑成像(如磁共振成像、脑电等)和仿真建模技术,从不同时-空尺度研究脑结构/功能网络的拓扑结构,理解不同脑区的精细划分、连接模式及功能,阐明人脑在发育/老化,以及各种神经精神疾病状态下(如精神分裂症、抑郁症等)的脑网络动态演化规律,以期对人脑的发育和疾病等过程进行预测和干预。目前,我们的研究项目包括人脑信号检测、信号处理和模式识别、脑网络组构建和分析、不同尺度脑网络的建模和仿真等。团队现有研究员3人(均为百人计划)、副研4人、助研5人,研究生和访问学生30余人。另外还有15名国际著名专家组成的国际顾问委员会,分别来自美国、欧洲、加拿大以及澳大利亚等国家,都是相应领域的知名科学家,包括欧洲人类脑计划、美国人脑连接组项目等大型研究计划的负责人以及主要科学家。脑网络组研究中心与这些科学家分别都有不同形式的合作和交流。

     

    主持人:给大家介绍一下脑网络组研究中心从事脑网络研究的大体历程吧?

    蒋田仔:脑网络组研究中心的前身是“医学成像与计算研究组”,始建于2001年。主要根据我们对国内外的研究前沿的调研后,认识到脑疾病是人类面临的共同挑战,而在中国最适合进行这一领域的研究,信息科学等工程学科对理解脑功能及脑疾病具有无法预测的前景。筹建初期团队定位在静息状态下脑疾病的研究,逐步扩展到利用多模态脑影像技术研究脑功能和脑疾病。从2005年开始,团队和国内许多医院开展大规模的合作,研究脑网络及其在神经精神疾病中的应用,取得一些公认的研究成果,在国内外的影响力也迅速扩大,近两年更是获得了快速发展,引领脑网络组及其临床应用研究。

    主持人:据了解,脑网络组(brainnetome)是研究中心近年来提出并发展的概念,我们如何理解?

    蒋田仔:“脑网络组”是研究不同时空尺度上的脑网络拓扑结构、动力学属性、脑功能及功能异常的脑网络表征、脑网络的遗传基础等内容,为理解脑的工作机理及脑功能异常提供了新途径。“脑网络组”不但关注构建神经元(团)或者脑区之间的结构联系,更重要的是在于理解脑网络构建之后的动态属性及其改变与神经精神疾病的关系。

    主持人:提出“脑网络组”这个概念有什么背景吗?

    蒋田仔:脑的结构和功能具有高度的复杂性。过去一个多世纪以来,从分子、细胞等微观水平对脑进行研究是最重要的研究手段;同时随着研究的不断深入,人们也认识到,神经细胞是组成神经系统的基本功能单位,神经细胞之间通过相互联系形成的神经环路则是脑处理信息的基本单位;脑功能不是单个神经元或单一脑区所独立完成的,而是由神经环路内的神经元团(群)、功能柱或者脑区的交互作用来实现的。近年来,多种技术,特别是磁共振、光学成像以及基因工程等技术的发展和融合,为活体(包括人和动物)全脑结构和功能信息的检测提供了新的技术手段,这是“脑网络组”这一新的研究方向诞生的科学基础。

    另一方面,09年前后,脑网络的研究受到了空前的关注,美国国立卫生研究院(NIH)批准了脑连接组计划(HCP),目前已经进入了第二阶段的研究。当时的HCP计划,仅侧重于人脑的物理结构连接网络,也即是连接不同脑灰质功能区域的白质纤维形成的网络,而忽略了功能网络研究的重要性,同时也忽略了在不同时-空尺度研究脑网络以及在人脑可塑性以及神经精神疾病发展中脑网络的动态演化规律,这正是“脑网络组”这一新的研究方向得以诞生并大力发展的根本原因。

    主持人:脑网络组学的发展有什么样的意义呢?

    蒋田仔:脑网络组研究不但能为理解脑信息加工机制开辟新途径,同时为脑疾病的早期诊断和预后及疗效评价提供新视角,具有重要的临床现实意义。一方面,它可以为正常人的发育和老化提供促进和改善作用,比如青少年时期的智力开发及随着年龄增长的衰老退化等;另一方面也可以为神经疾病和精神疾病提供客观定量的诊断标准,以及制定个性化的治疗和康复计划。目前,脑网络组学研究已经成为当今信息科学、神经科学、临床医学等学科的共同前沿。

    主持人:您能否展望一下脑网络组研究的未来发展方向?

    蒋田仔:在宏观水平上,脑图谱的研究、脑连接的定义和度量以及脑网络分析方法是脑网络组研究的重要组成部分,也是未来几年脑网络组研究最有可能取得重大突破的热点方向。在微观水平上,如何将不同成像技术获得的脑网络组与宏观水平的脑网络组进行“无缝”结合是脑网络组研究的主要挑战。此外,人类脑疾病的各种易感基因如何影响不同尺度的脑网络组也是未来发展的重要研究方向。此外,脑网络组中心为我们参与国内一些重大研究计划奠定了基础。 

    主持人:脑网络组研究中心这些年来为推进这方面的研究做了哪些工作呢?

    蒋田仔:可以说,十多年来我们都在致力于脑网络相关研究。在“医学成像与计算”研究组(脑网络组研究中心的前身)成立的前几年,我们致力于用图像处理和模式识别的理论,研究人脑的解剖结构及各子结构的形态学分析的计算理论与方法,这为后来的脑结构网络的研究奠定了坚实基础;从2004年开始,我们团队率先运用图论的理论分析脑网络的拓扑结构,由此,我们正式进入基于影像的脑网络研究领域,并一直与国际同行有着密切的交流和合作;2010年,我们提出了脑网络组的概念,因为当时已经明显的意识到,脑是一个复杂的多层次的网络系统,脑网络需要从不同时-空尺度进行研究,并在可塑性及疾病等状态下研究其不同的动态演化表征。事实上,我们早在2004年我们已经初步意识到核磁共振成像的时间分辨率的缺陷(2s左右的时间分辨率),从而引入了美国哈佛大学心理系开发的功能近红外光脑成像原型系统(fNIRS, functional Near Infrared Spectroscopy),我们基于该原型系统进行了一系列的成像硬件和软件的开发,并形成了系列专利和论文;2011年4月份,我们以“脑网络组及其临床应用的前沿科学问题”为主题,组织举办了第393次香山科学会议。当时,中科院上海神经科学研究所郭爱克研究员、华中科技大学骆清铭教授、美国人脑连接组计划(HCP)的主要负责人David Van Essen教授,以及相关学科的50余名专家学者参加了会议。2012年6月,我们成功举办了第11届国际“脑连接专题研讨会”,本领域的一些著名专家,包括2位美国科学院院士参加这次研讨会。今年3月份,澳大利亚昆士兰大学(UQ)校长Peter Høj教授一行来所进行访问,我们签署了共建中澳脑网络组联合实验室合作协议;4月份,王东琳所长和我受邀随中国科学院李静海副院长出访了欧洲人脑计划的负责单位瑞士联邦洛桑理工大学。

    主持人:据我所知,除了中澳联合实验室,团队和外面的合作还有很多,可以做个简要介绍吗?

    蒋田仔:从合作情况来看,澳大利亚只是其中之一,也是比较成熟的一个。实际上,我们的合作非常广泛。在国内合作方面,我们已经与宣武医院、天坛医院、北京大学第六医院、天津医科大学总医院、广州脑科医院、新乡医学院、湘雅二院等,建立了实质性的深入合作关系并形成了互惠互利的多赢模式。现在,我们的合作者有从事本领域基础研究和应用研究的著名学者,也有经验丰富的一线骨干科研人员,分布在临床医学、神经科学和信息科学等领域,大家经常围绕脑网络的基础理论、计算方法、应用范式和基本工具等进行交流,主要是促成思想上的交流,不同领域的研究合作让大家都得到一些启发。在国际合作方面,我们于2007年1月建立了LIAMA计算医学研究中心,目前来自法国的Yu Shan 博士就一直在我中心工作。

    主持人:刚才您讲到了中法实验室(LIAMA),您也是中方主任,这几年有什么感受?

    蒋田仔:担任实验室的中方主任使我们有更多的机会近距离了解国际著名研究机构的最新研究进展及管理运作模式,并能与实验室内不同成员及研究组之间进行更密切的交流。看着LIAMA在国内外的影响越来越大,就像盼望小树苗长大一样,希望LIAMA不仅在国际合作中继续起到旗舰作用,而且将来能发展成有自己特色的国际一流研究机构,在中国的创新型国家建设中发挥不可替代的作用。

    主持人:中心这些年成功申请到了一些重大课题项目,整个团队也在进一步壮大,我想具体了解一下这些课题情况如何?

    蒋田仔:2010年,我们申请到了一个973项目“基于影像的脑网络研究及其临床应用”,想要建立基于影像的脑网络计算理论体系,研究脑网络的构建和脑疾病状态下脑网络的变化规律,在此基础上探索重大脑疾病早期诊断及预后评价的影像学标志。

    2011年我们获得基金委重大研究计划“情感和记忆的神经环路基础”下的一个重点项目,其目标是建立基于多模态磁共振影像的脑网络组计算理论与方法,探索记忆及记忆障碍的脑网络机制,为精神分裂症的早期诊断和疗效评价开辟新途径。2012年12月,我们获得了中科院战略性先导科技专项(B类)的支持,目的是建立基于多模态磁共振影像的脑网络组计算理论与方法,探索情绪及情绪障碍的脑网络机制,为理解情绪障碍的脑网络机制提供新证据,为情绪障碍的早期诊断和疗效评价开辟新途径。

    随着研究的深入,我们越来越感受到国内技术设备存在的不足和缺陷,这也触发我们加强相关设备的研发制造。2012年10月,我们成功申请到“国家重大科学仪器设备开发专项”,主要是想开发光电同步脑活动检测仪器,通过近红外光谱技术和脑电采集技术的有效融合,在同一仪器上实现近红外光谱仪、脑电仪及近红外光谱和脑电融合仪三个功能一体化仪器,从而实现脑区神经电活动和血氧供应信息的同步或分别采集多种功能。

    主持人:据了解,脑网络组学是至今所有“组学”中唯一一个由中国学者提出来的?

    蒋田仔:可以这么说,脑网络组是至今所有“组学”中唯一一个由中国国内学者提出,并得到学术界越来越广泛认可的领域。最近,本领域的著名刊物NeuroImage 邀请我写了一篇脑网络组方面的综述,介绍脑网络组的内涵、研究进展及发展方向等。我们在脑网络组方面的研究,可以说是一直走在国际前沿。我们希望不同领域、不同单位的研究者通力合作,共同规划和制定脑网络组研究的路线图,并希望中国科学家能引领该领域的发展,在脑网络组研究中率先取得突破性成果。当然也希望中国的学者可以继续引领这个领域的发展。

    主持人:当前,我们国家在这方面有什么目标和计划吗?

    蒋田仔:现在科技部等国家部门也在计划推出中国的研究计划,希望可以共同推进。目前,我们在努力组建以中国科学院自动化研究所为首的世界性脑网络组联盟,将涉及美国HCP部分单位、加拿大McGill大学、古巴科学院、法国CNRS、德国亥姆霍兹联合会于利希研究中心(FZJ)、澳大利亚昆士兰大学脑研究所,以及我国973项目各成员单位,包括电子科技大学、国防科技大学、北京大学、中科院武汉物理与数学研究所、天津医科大学总医院、天坛医院、中山大学附属第一医院等。

    主持人:针对学科发展和团队建设,脑网络组研究中心最近有什么具体的安排吗?

    蒋田仔:1990年提出了基因组计划,2001年提出了蛋白质组计划,直到2010年才正式提出脑连接组/网络组计划。我们觉得,只有将基因组、蛋白质组、脑网络组、表型组等进行有效的系统集成,才可能从根本上认识人脑自身以及疾病机制,为解决人类长期面临的脑疾病难题开辟新途径。在即将到来的6月份,我们团队的部分工作人员将参加国际人脑映像组织的学术年会(OHBM’2013),学术交流是一方面,另外我们也将展示我们最新的研究成果,并同时利用该会议的巨大影响力,从整个国际领域招聘更多优秀的科学家加入我们团队;今年9月份,我们将举办脑网络组学与基因组学联合会议,也是要促进这两个领域的交融和相互促进,该系列会议去年在澳大利亚昆士兰大学举办。

    主持人:目前,研究所正着力推进“一三五”战略,对脑网络组也是特别重视,中心有什么需求和考虑吗?

    蒋田仔:搬到智能化大厦来之后,我们的办公环境得到了很大的改善,包括办公环境的拓展,以及专用基因和影像实验室批准和专用仪器设备开发工作室的批准,这是得益于研究所的大力支持。我们当然希望研究所能够继续给予我们资源支持,因为根据研究所对新的中心成立的战略规划,中心的人员编制将会有较大的扩展,这意味着其它诸如办公和实验环境的配套设施支持;同时,科研装备上,更先进的成像设备也是促进我们脑网络组研究的有效工具。我们也将继续着力于脑网络组研究,同时在新技术开发方面能够取得新的进展。

    主持人:谢谢蒋老师接受我们的访谈,也期待看到来自脑网络组研究中心更多更加振奋人心的科研成果。

    蒋田仔:好的,谢谢。也欢迎你们再来我们中心。