从人类脑计划到计算神经科学ppt课件

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1.人类脑计划介绍
目前人类脑计划开展的国际大合作，使用通用数据库，统 一格式、统一标准，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结 果联系起来，绘制出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经 网络、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以 在数据库中进行搜索、比较、分析和整合，并进行数学模拟和 仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电 子合作，也可以避免不必要的重复性研究。
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1.人类脑计划介绍
人类脑计划的核心 —— 神经信息学
神经信息学 指 神经科学和信息学相互结合的研究领域。它 是人类脑计划的核心内容。
目 标： 利用信息技术，建立神经信息学数据库。 1） 以便能对不同层次的有关脑的研究数据，进行检索、
比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、脑结构和神经 网络的图谱；
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1.人类脑计划介绍
“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标
人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地： 了解自己、 保护自己、 防治脑疾病、 开发大脑潜能
等方面做出重要的贡献。
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1.人类脑计划介绍
脑的研究正在产生海量的数据
1） 以往有关脑的研究包括神经（解剖、生理、病理、生化、 免疫、电生理、心理）等，已经获得了大量有关动物脑和人脑的 实验数据和研究结果。
掌管着人类每天的语言、思维、感 觉、情绪、运动等高级活动。
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1.人类脑计划介绍
脑科学的研究热潮正遍布全球
人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、 全脑和行为等不同层次进行研究和整合，内容极其丰富。
世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究： 美国：1989年，美国在全世界率先推出了全国性的脑科学计 划，并把20世纪的最后十年命名为“脑的十年”。这一举动立 刻得到了国际脑研究组织和许多国际学术组织的响应。美国提 出“脑的十年”计划重点是保护脑，防治脑疾病。
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Part 2：计算神经科学
1、定义
计算神经科学是使用数学分析和计算机模拟的方法在不同水 平上对神经系统进行模拟和研究的科学：从神经元的真实生物 物理模型，它们的动态交互关系以及神经网络的学习，到脑的 组织和神经类型计算的量化理论等，从计算角度理解脑，研究 非程序的、适应性的、大脑风格的信息处理的本质和能力，探 索新型的信息处理机理和途径，从而创造脑。它的发展将对智 能科学、信息科学、认知科学、神经科学等产生重要影响。
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1891年，Cajal创立神经元学说，认为神经系统是由独立的神 经细胞组成的，这些神经细胞连在一起组成神经通路；
1906年，Sherrington提出突触的概念，他认为这是神经元之间 相互交流信息的场所；
1943年，McCulloch 和Pitts首次提出M-P神经网络模型 ； 1948年，Hebb 提出神经网络学习规则； 1952年，Hodgkin, Huxley建立了单个神经元的数学模型； 1950s，1960s，对树突的功能开始重视，并逐渐认识到树突在
2）近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘， 先进的基因芯片技术在每秒钟就可以得到大量微观水平上的实验 数据。
3）脑功能成像（fMRI、PET、ERP等）使我们能从活体和 整体水平来研究脑，可以在无创伤条件下了解到人的思维、行为 活动时脑的功能活动。 这些新方法、新技术极大地增强了宏观水 平上的脑研究能力，同时也产生了海量的实验数据。
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1. “人类脑计划”介绍 2. 计算神经科学概述
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1.人类脑计划介绍
问题的提出
生命是什么？ 灵魂在那里？ 大脑如何思维？
揭示大脑奥秘是人类面临的最大挑战. 脑科学是21世纪最具有原创性的科学！
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1.人类脑计划介绍
人与其它物种之区别
人类有极其复杂的大脑，它是千百万年进 化的结晶。在过去六亿年中，生物的进化产生 了由大量神经元相互联结而形成的神经网络， 解决了在不断变化的复杂环境中，人脑如何处 理各种复杂信息的问题。
人的高级认知功能的高度发展，使得人类 成为万物之首，具备了主宰世界的能力。
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1.人类脑计划介绍
人脑是精巧而完善的智能信息处理系统
研究发现，一个成人大脑内有上千亿个神经细胞（10 的11次 方），还有超过10的14次方个神经突触。
脑是生物体内结构和功能最复杂的 组织，是接受外界信号、产生感觉、形 成意识、进行逻辑思维、发出指令、产 生行为的指挥部。
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1.人类脑计划介绍
神经信息学的建立和发展
2000年在OECD的科学论坛（GSF）批准下，建立以美国为牵 头国家的神经信息学工作组（OECD-GSF–NI工作组），参加国家 有：美国(组长)、英国、法国、日本、中国等21个成员国或观察员 国。这标志着神经信息学全球合作计划正式启动，其概念已经在国 际范围内得到认可。
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学习和记忆的神经机制：神经系统因活动和环境等因素的作用 而在结构和功能上发生改变，这种改变是学习和记忆等高级脑 功能的基础。研究产生这种可塑性、特别是神经突触的可塑性 的机制以及学习规则。研究神经元回路信息编码及加工机理；
神经元和神经系统发育的分子机制：神经细胞在脑发育时由神 经干细胞分化而来，以后经过迁移、长出突起、通过形成突触 互相连接等过程逐步形成复杂精密的脑。研究调节神经干细胞 分化、维持神经细胞存活、调节神经细胞迁移、突起生长和突 触形成的神经营养因子，研究它们的作用和作用机理；
2004年4月的OECD-GSF-NI巴黎工作会议上，原OECD-GSFNI工作组更名为国际神经信息学协调委员会(International Neuroinformatics Coordinating Facility，INCF)，负责具体执行新 一轮神经信息学国际合作计划（Program in International Neuroinformatics，PIN）。
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1.人类脑计划介绍
中国的神经信息学研究
1）应充分利用我们人类脑资源丰富等优势，积累有特色的基 础数据； 2）在具有中国特色的传统医学（如针灸等）、汉语认知与特 殊感知觉的神经信息学研究等领域深入开展工作； 3）建立中国的神经信息平台、电子网络和信息数据库，从而 更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。
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1.人类脑计划介绍
神经信息学的建立和发展
INCF提出神经信息学的最终目标依旧是建立一个有关神 经系统所有数据的全球知识管理系统和网络协同研究环境，组 织全世界最顶尖的研究机构和科学家，开展全球性脑科学科研 大协作。目前的任务是协调全球神经信息学工作、制定神经信 息学的发展计划、工作指南、数据标准和共享规范。
神经递质：研究神经递质的构成，神经递质的合成、维持、释 放及与受体的相互作用。
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计算神经科学的研究力图体现人脑的如下基本特征:
大脑皮层是一个广泛连接的巨型复杂系统； 人脑的计算是建立在大规模并行模拟处理的基础之上； 人脑具有很强的“容错性”和联想能力, 善于概括、类比、推
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1.人类脑计划介绍
“人类脑计划”是人类历史上的重大科学计 划
1） “曼哈顿计划”、“阿波罗登月计划”和“人类基因组 计划”是划时代的三大科学工程，它们给整个人类社会带来了深 远的影响。
2）“人类基因组计划”是“生物实验结果和信息科学的完 美结合”，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生 态平衡和生物学研究作出不可估量的贡献。
神经整合中的作用； 1960s，1970s，发现了神经调制物质及第二信使；
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1970s，计算机化的影像技术应用于脑研究； 1989年，Hopfield提出了学习记忆模型，开拓了神经网络用于计
算机的新途径； Amari在统计神经动力学、神经场的动力学理论、联想记忆，特
别在信息几何方面作出了一些奠基性的工作； 1990年，美国开 展了“脑的十年”的研究计划； 1991年欧洲也成立了“欧洲脑的十年”委员会，推行“欧洲脑的 十年”计划； 1996年，瑞士《世界经济论坛》上宣布成立“脑研究联盟”； 1996年，日本推出了为期20年的“脑科学时代”计划纲要。 在我国，1992年把“脑功能及其细胞和分子基础”列入国家科委 重大基础研究攀登项目，又把主要脑疾病的防治作为国家“九五” 攻关项目。1995年成立了“中国神经科学学会”。
2） 能从基因到行为各个水平加深人类对大脑的理解， 达到“认识脑、保护脑和创造脑”的目的。
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1.人类脑计划介绍
神经信息学的建立和发展
全球人类脑计划/神经信息学的概念最初由美国提出，1999年在美 国与欧共体合作的基础上形成USA-EC神经信息学双边合作组织。
美国神经信息学的国内分支机构是美国国立卫生院（NIH）神经 信息学办公室。该国对人类脑计划/神经信息学的专项资助（Phase I 和Phase II研究基金）目前已近1亿美金，资助方向是神经科学和信息 学相结合的研究内容。美国人类脑计划/神经信息学的研究集中在嗅觉 神经信息学（Yale University）、人脑图谱（UCLA）和认知神经信 息学（Dartmouth College）三个方面。美国重视神经信息学人才培养， NIH已启动专项培训和教育计划，资助神经科学和信息学的交叉学科 人才的培养。
3) 在 “人类基因组计划” 之后应该是“人类蛋白质组计划” 和“人类脑计划”。
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1.人类脑计划介绍
当前正在推动的工作
国际神经信息合作组织已在全球召开了4次会议，具体已提 出了几项重大建议： 1）创建全球性的神经信息学电子网络； 2）开发先进的神经信息学工具、方法和数据库； 3）通过数据资源共享和建模仿真来了解神经系统的结构和功能， 推动脑科学进步。
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1.人类脑计划介绍
脑科学的研究热潮正遍布全球
欧洲：1991年欧共体制定了“EC脑十年计划”； 日本：1995年日本学术会议设立“脑科学和意识问题”特别 委员会。1996年日本科学技术厅在总结它和通产省等1986年所 提出“人类前沿科学计划”十年实践结果的基础上提出了“脑科 学时代——脑科学研究推进计划”，正式提出了“了解脑、保护 脑、创造脑”的口号，并指出“了解脑也就是了解人类本身”。
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单个神经元的计算模型：单个神经元是构成神经网络的基本单元， 它由神经细胞体、树突和轴突构成，神经元之间通过突触连接；
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神经元的计算模型：
（1）离子通道模型 （2）电缆特性和房室模型 （3）突触动力学模型 （4）树突动力学模型
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神经活动的基本过程：研究神经元离子通道及其调控、突触传 递及其调控、神经元受体及信号转导、神经活动的同步机理；
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1.人类脑计划介绍
神经信息学在欧洲
欧洲神经科学和计算神经科学研究有着悠久的历史，因此在 对神经信息学的认识上，与美国有所不同。在美国，神经信息学 强调神经科学数据库的建立和共享，而在欧洲，在致力于建立神 经科学共享数据库的同时，更强调神经系统中的信息处理的研究 信息学工具的开发。
目前，英国医学研究委员会（MRC）启动神经信息学人才培 养计划，开始授予神经信息学博士学位，英国、德国、荷兰、波 兰等国相继建立了神经信息学网站投入运行或试运行。
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1.人类脑计划介绍
神经信息学在欧洲பைடு நூலகம்
欧盟自1999年与美国共同成立USA-EC神经信息学双边合作 组织以来，在全球人类脑计划/神经信息学国际合作中扮演重要 角色，具有很好的工作基础和突出贡献。欧盟委员会近年来坚决 支持其成员国参与OECD-GSF-NI工作组各项活动，并协助美国 建立和完善了国际神经信息学协作组织（INCF），成功争取了 国际神经信息学协作组织主办国地位，并联合欧盟15个成员国投 入科研基金，建立欧洲神经信息学数据库，发行神经信息学SCI 杂志。
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1.人类脑计划介绍
海量的数据呼唤新的学科 - 神经信息科学
1）神经科学家面临的重要问题之一，就是能否灵活有效 地管理数据，最大限度地利用已有的实验数据。建立“全球神 经信息数据库”和“神经信息电子网络”，已经迫在眉睫。
2）应加强神经科学和信息科学的合作和相互渗透，建立 新的研究模式，即实验数据→数学理论→计算机模拟和预测→ 生物学实验验证→数学模型与验证后的理论，力求达到事半功 倍，加快脑的研究进程。