探寻学科交叉的创新魅力 作者：暂无 来源：《科学中国人》 2017年第1期 本刊记者 范国轩 物含妙理总堪寻。科学的征途总是充满了奥妙，回首近百年的科学史，有四成以上的诺贝尔自然科学奖成果来自多学科融合创新，学科交叉研究已经成为开启当今科学殿堂的金钥匙。著名科学家钱学森曾经评价：“交叉学科是一个非常有前途、非常广阔而又重要的科学领域！” 而在上海， 有一位年轻的科学家，正站在学科融合的交汇点，在脑和类脑研究领域闯出一条新路。他是复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院教授张捷。 非线性科学与复杂网络：初品学科交叉的芬芳 “我本科期间学习化学工程，后来由于个人的兴趣原因，考取了山东大学信号与信息处理专业的研究生，做非线性科学研究。”2005年，在硕士毕业后，张捷选择到香港理工大学继续深造。香港维多利亚湾的海风带来了别样的气息。这里，正是他探索学科交叉的起点。 2000年一次偶然的机会，张捷听了日本一位教授关于复杂网络的报告，这让他产生了将手中关于非线性时间序列分析的课题研究，和复杂网络相结合的灵感。 张捷将一个时间信号划分成多个“片段”，每一段用一个节点表示，并将信号片段之间的相关性作为对应节点之间的连接。“就像傅里叶变换把一维时间序列从时域转化到频域一样，这里我们就可以把时间序列转化为一个网络，实现了从时域到网络域的变换。”张捷告诉记者，在此前，并没有人用复杂网络方法分析过一维时间序列。而这样做的意义是，刻画复杂网络拓扑结构的近百个指标，都可以被用来挖掘对应时间序列的特性，从而极大丰富了时间序列分析方法体系。 这个成果发表在物理学顶级期刊美国《物理评论快报》，目前已经被引用250余次，“这一工作首次将传统非线性时间序列分析与现代复杂网络理论相结合，对相关的学术领域将产生很大的影响。”审稿人对其进行了高度评价。在这项工作的基础上，张捷作为合作者与许小可在《美国科学院院报》上发表了另外一篇论文，引用达200余次。目前这两篇论文被Web of science归入物理领域中最优秀的1%之列，张捷也因此获得了香港青年科学家奖提名奖。 “这是一个典型的学科交叉的例子，很多研究者对这一新开辟的方向产生了浓厚兴趣。大家最感兴趣的莫过于这个巧妙的想法是怎样产生的”。在张捷看来，不同领域独特的视角相结合将会带来意想不到的收获，很多创新其实可以通过各学科特有的概念间“杂交”而成。好的交叉，会给人美的感受。《滕王阁序》中的传世名句“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”就是这样的例子。落霞与孤鹜之间，秋水与长天之间，本无关联，但被王勃纳入到一副画面中，落霞和长天顿时被赋予“动”的神韵，动静的结合给人以极致的美学享受。因此，学科交叉的魅力就在其带来的新的生命力和创造力。“物含妙理总堪寻”，看上去并不相关的事物之间往往存在着精妙的联系，通过解读这种关联或者交叉，往往会“曲径通幽”，“柳暗花明”。“当然研究者需要对相关学科都有相当深入的把握，而不仅仅是表面的结合与交叉。”他补充道。 计算科学和脑科学：深耕学科交叉的原野 从2012年起，世界各国掀起了“脑计划”的风暴。脑科学主要研究人类大脑的运作方式，这不仅有助于重大脑疾病，比如说抑郁症和精神分裂症的诊断和治疗，还有望促进新一代人工智能的发展。在香港学习工作6年，博士后出站后，张捷做了一个大胆的决定，他加入了复旦大学计算系统生物学中心，踏上了脑与类脑交叉研究之路。 “我到复旦后，加入了冯建峰教授的团队，我之所以能做出这个重要的选择，得益于他在学术上对我的影响。”冯建峰教授是国家第二批“千人计划”教授，上海数学中心首席科学家，复旦大学类脑人工智能研究院的首任院长，是国际上从事计算系统生物学和类脑交叉学科研究的知名专家。“我于2007年有幸与冯教授相识，他深厚的学养、敏锐的思维和兼容并包的学术胸怀让我十分敬佩，特别是他将多领域知识融会贯通后在学术上自由驰骋的广阔视野，让我深刻感受到了学科交叉带来的无穷魅力。“ 然而，从非线性科学和复杂网络领域转向脑科学并不是一帆风顺，这个过程不仅需要对新的学科进行系统的学习，而且还需要深入了解脑科学的前沿，培养对新领域科研的眼光，“这并不容易，学科交叉需要双倍的努力。然而一旦交叉中碰撞出火花，其中的发现会让人更加兴奋”张捷说。经过近6年的耕耘，张捷在脑科学的研究中渐入佳境。 2016年8月份，国际脑科学知名杂志Brain 以封面形式发表了张捷关于大脑动态网络机制的论文。2014年美国麦克阿瑟天才奖得主Danielle Bassett教授，专门为此研究撰写了题为“The flexibleb r a in”的评论文章，认为“这项工作是我们在理解大脑网络动态变化道路上的一块重要基石（an important steppingstone）。国内外上百家媒体如《英国每日邮报》《光明日报》头版对此都给予了焦点报道。 “我在时间序列分析和复杂网络这两个领域的积累，成为这项研究中的催化剂。” 张捷把时间序列分析和动态复杂网络的方法融合，应用于脑科学：通过对核磁共振扫描的高维大脑神经活动时间序列的分析，首次构建了大脑功能网络动态图谱，并找出了脑网络动态变化的机制。他发现人脑中与学习、记忆紧密关联的脑区如海马、颞下回、嗅皮层、尾状核等脑区均表现出高“可变性”。这些区域同其他部分的连接模式变动更加频繁，从而能够参与到不同功能的子网络中，构成了大脑可学习性的基础。“而人脑中与智力相关性小的区域，包括视觉、听觉和感觉运动区，皆表现出了低‘可变性’”。脑网络的‘可变性’受局部神经活动或电活动的调制，这意味着经颅刺激等能够调节局部神经活动的手段将能够控制大脑的可学习性。这很有可能会改变未来的学习方式和学习效果，张捷说道。此外，大脑“可变性”越强或越灵活，个体的智力以及其创造力也就越高。 专家表示，根据这一发现，未来或将可能通过赋予人工智能系统内部各部件动态相互作用的模式，使机器人真正产生人类的思维方式，这一重大成果或将给人工智能的发展带来重要影响。 科学研究与临床应用：播种学科交叉的硕果 “发表论文只是科研的一个方面，挖掘研究成果的实用价值，则会造福于更多的人。”在科研成果的转化方面，张捷同样进行着积极的探索和努力。“比如上面提到的脑网络可变性指标，就可被用于预测认知训练的学习效果，以及中风等神经疾病病人的康复水平”。此外，张捷与合作者发展了适用于临床脑疾病客观定量化的计算生物标识和诊断软件，为重大脑疾病包括精神分裂症、小儿多动症、抑郁症、自闭症等疾病的精准医疗提供支持。与西南大学合作，通过对千余名大学生进行核磁共振大脑扫描和基因测序，对其创造力、情商等特质进行预测等。张捷相信，脑科学这一高度交叉学科的研究投入无疑会对新一代人工智能、精准医疗等产生深远的影响。 “天地间都是文章，妙处还须自得”。不同科学领域之间往往存在着意想不到的关联，而学科之间的交叉则是破译复杂现象的利器和创造性的源泉。交叉学科的道路也许并不是一番坦途，需要比单一学科研究更为持久的探索和加倍的投入。希望张捷能够在学科交叉的道路上走的更远，运用学科交叉这只“妙手”，解读脑科学的“大文章”。 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/13033af1920ef12d2af90242a8956bec0975a5c0.html