脑与认知：创世界级“知觉”理论

记者：陈瑜唐婷



主任：陈霖院士



时间：2008年2月24日



地点：中科院生物物理研究所  



　　记者：首先，能否向大家介绍一下该实验室成立的背景？  



　　陈霖：开展脑与认知科学研究，根本目的在于探索大脑奥秘，揭示认知活动的本质，为保护人口健康和提高生活质量服务。脑是世界上最复杂、最高效的信息处理系统，而人类获取外部信息主要依靠感知觉。在不同层次上研究感知觉的基本表达和信息加工机制，认识大脑如何形成对外部世界的认知，以及如何实现学习、记忆、语言、思维、情绪、意识等高级认知功能，是脑与认知科学研究的重要内容。这一系列重大前沿科学问题的解决，将逐步揭开脑和认知过程的奥秘，推进人类对自身的认识和理解。  



　　人类社会正经历着以计算机技术为基础的信息革命。与现有机器系统相比，人脑在处理信息方面有着突出的优点，如脑的智能和学习能力，是现代计算机所无法比拟的。研究脑与认知功能，揭示脑的工作原理，研制仿脑信息处理系统，进而开发能适应环境、识别物体、与人对话的智能计算机，必将极大地促进信息技术与产业的发展。有关成果还可应用于自动控制、定向、追踪导航、机器人等诸多方面，在工业、国防等领域都具有潜在的实用价值。脑与认知研究与信息技术相结合，对保护人类健康、提高生活质量也将产生重要作用。如对视听疾患除了药物治疗外，人工视网膜和人工耳蜗以及大脑视觉和听觉皮层刺激用“芯片”的研制是重要的解决途径。  



　　记者：脑与认知科学国家重点实验室的主要研究目标？  



　　陈霖：我们的主要研究目标概括起来就是“P3”规划。P1，形成共同的研究计划(Program)：集中研究当代知觉研究的根本问题———什么是知觉信息的基本表达；P2，建设共同的实验环境平台(Platform)：以脑功能成像方法为核心，从分子遗传、细胞生理、功能成像到心理行为的大跨度学科研究的脑与认知科学实验环境；P3，创立新的原则(Principle)：就当代知觉研究的重大问题———特征捆绑问题、知觉进化问题创立新原则（或新学说）。  



　　围绕“P3”规划，实验室主要设立以下四个方面的研究课题：1.知觉和注意的基本表达的行为和脑成像研究。把认知科学的实验研究从视知觉组织的层次，发展到形状知觉和运动知觉的关系、视觉的选择性注意、视觉的动态记忆、视觉的知觉学习等其他认知层次，形成关于特征捆绑问题的独特学术理论。2.知觉信息表达的脑机制研究。在不同层次上研究大脑抽提、编码、存储与利用知觉信息的过程和机制，揭示知觉的神经基础。利用脑功能成像新方法，包括磁共振、脑磁图、脑电、透颅磁刺激和光学成像及其相互结合，研究脑的有关功能区及神经核团的功能定位和动态关系。3.涉及知觉信息表达的其他层次的认知过程及其脑机制研究。研究各种模型生物（特别是果蝇）在多个脑功能区及多模态参与下的知觉学习和记忆、视觉线索的抉择、各知觉模态之间的相互关系等认知过程及其神经网络、细胞和分子机制。4.涉及知觉信息表达的脑的认知功能障碍研究。研究知觉认知功能障碍的神经机制与神经变性病的分子机制，为跟知觉相关的脑与认知功能障碍的防治提供理论基础和方法。  



　　记者：本实验室在国内外相同学科领域实验室中的地位和作用如何？  



　　陈霖：在学术水平上，本实验室主要表现在如下4个方面：1.20多年来，就知觉信息基本表达的问题，原创性地提出和系统地发展了大范围首先的拓扑性质初期知觉的创新理论。2.经十多年的积累，从基因—脑—行为—认知相结合的角度，以果蝇为模式动物,研究基本视觉认知过程的分子细胞和神经整合机制方面取得了重要成果。3.提出了视觉感受野的双核团调控机制，为研究感受野的形成和调控开辟了新的学术思路，并揭示了视觉运动加速度的检测机制。4.提出了眼睛背腹极性建立调控的新模式，并提示中枢神经系统其他结构极性特征形成可能存在相似的调控机理。  



　　在实验环境建设上，本实验室在国内外相同学科领域实验室中的地位和作用主要表现在：已初步建立起了以脑功能成像方法为桥梁，把分子遗传、细胞生理、脑功能成像和心理行为四个层次的研究方法结合起来的实验环境，从而具备了开展空前大跨度学科（从分子遗传水平直到认知行为水平）的认知科学研究能力。并且，这个实验环境的建设紧密围绕视觉认知的研究方向。  



　　记者：目前实验室取得了哪些重大成果？  



　　陈霖：本实验室以“视觉信息的表达及视觉系统的脑功能区成像”为主要研究方向。以下4项代表性成果均围绕这一主题，采用不同手段，在不同层次上揭示视觉认知功能。其中，我提出和发展了“大范围首先的视知觉拓扑结构和功能层次理论”，为解释知觉组织及其相关的其他认知层次的大量现象，提供了统一、科学的描述；郭爱克、刘力、唐世明等以果蝇为模式动物,从基因—脑—行为—认知相结合的角度，在分子、细胞、行为等多个层面上，揭示了视觉学习记忆及抉择行为的神经机制；王书荣等提出了视觉神经元感受野的双核团调控机制，揭示了视觉系统编码运动加速度及参与动物危险躲避反应的神经元基础；赫荣乔、刘缨等阐明了眼睛腹侧结构分子特性建立中不同信号作用的调控机制及其相互关系，提出了新的眼睛背腹极性建立调控模式。  



　　在已完成的任务中，我主持的国家自然科学基金“九五”重大项目“知觉信息的基本表达及其无创性认知成像”、负责的国家重点基础研究发展计划（973）项目课题“图像理解的认知基础和计算理论”，王书荣研究员主持的国家自然科学基金“九五”重大项目“视觉信息加工的神经基础”，郭爱克院士主持的国家自然科学基金重点项目“视觉信息的群体动态时空编码和选择性注意机制”等国家级重大项目，均已顺利通过验收，并被评为特优或优秀。  



　　记者：作为实验室主任，您对国家重点实验室建设有什么建议？脑与认知科学国家实验室下一步有哪些计划？  



　　陈霖：国家重点实验室从体制上来说，不可能完全没有毛病，但是从思路来说，符合我国国情，对我国科技工作的推动功不可没。因此对国家重点实验室这种形式我很赞成。国家重点实验室为我国基础研究队伍培育一批人，留住了一批人。我本人出国较多，但是始终坚持在国内做基础研究，这和国家重点实验室体制有关。  



　　现在科技发展，包括脑与认知科学，越来越趋向大科学、团队科学，这是我这些年来的体会。作为大科学关键在于两点，一是超越学科界限，而原来是提倡跨学科。如果对脑与认知科学的研究要真正深入，必须没有学科界限。二是科学技术密集。10年前要做心理学测验有台电脑就够了，但现在我们需要几千万的设备做基础研究。  



　　国家重点实验室符合科学发展的趋势，符合大科学的需要。从这点来讲，我们这个实验室很有特色。原来我们有一个“梦”：把脑成像研究、分子研究等各个研究层次结合起来，而现在通过国家重点实验室实现了这个“梦”，目前营造的是分子遗传学—细胞—成像—行为大科学的环境。  



　　科学发展还有一个趋势是团队科学。这也是我这些年体会出来的。因为一个问题的解决不可能简单的是一个课题组问题。科学家的独创性很重要，是核心竞争力，但是独创性是否就意味着完美？在这方面，国家重点实验室的发展都为大科学发展、团队科学和独创性的发展提供平台。  



　　国家重点实验室反映了科学发展的趋势，在这一点上，我国并不比国外差。而脑与认知科学的发展，结合这样的体制，体现了科学发展的趋势，具有机制上的生命力。比起科研成果，机制上的生命力更具生命力。