1998日本脑科学研究现状考察记：日本脑科学的现状及发展战略
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［作者：顾凡及 齐翔林 郭爱克 汪云九 来源：本站原创 点击数：1315 更新时间：2006-7-13］
1998年10月我们分别作为国家自然科学基金委员会组织的"日本神经科学研究现状和发展战略考察团"的一员，以及应"理化学研究所－玉川大学动态
脑论坛"和"1998年第五届国际神经信息处理学术会"组织者土冢田稔教授和吉泽修治教授的邀请，并应甘利俊一教授和松本修文教授的邀请，先后访问了国
际电气通信基础技术研究所(ATR)、日本通商产业省工业技术院筑波研究中心的生命工学工业技术研究所(NIBH)和电子技术综合研究所(ETL)、东
京大学、理化学研究所(RIKEN)的脑科学研究所(BSI)、九州工业大学和玉川大学，并参加了前述的大会(郭爱克教授仅参加了会议)，可以说几乎走
访了日本脑科学研究最重要也最有代表性的大学和研究所。对日本在脑科学研究方面所作出的巨大努力、其现状和发展战略留下了深刻的印象。
1日本脑科学研究概况
继九十年代初美国和欧洲分别提出各自的"脑的十年"计划之后，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"。如果说美国脑的十年计划重点是保护脑，而欧洲脑的十年计划则兼顾保护脑和了解脑两个方面，那
末日本的计划则第一次把"创造脑"提到了和了解脑、保护脑并重的地位，成为脑研究的三大目标之一，1996年日本科学技术会议(议长为当时的首相桥本龙
太郎)设立了"脑科学委员会"(议长为伊藤正男教授)，协调日本科学技术厅、厚生省、农林水产省、通商产业省、邮政省和文部省等六个省厅所属的脑科学研
究活动。以往日本脑科学研究组的规模太小，不利于不同学科之间的交流，此外各省厅各自资助的绝大部分工作也缺乏协作；为了克服这些缺点，1997年11
月在理化学研究所中耗资6千1百万美元建立起一个新的脑科学研究所(BSI)，以此作为全日本脑科学研究的中心，由它来协调研究所、大学以至产业界的有
关研究活动，并使大型设备得到更为充分的利用；BSI的规模在今后五年内将扩大三倍。日本去年在脑科学方面的投资为1亿2千5百万美元，今后五年内将再
翻六倍。日本最近的经济不景气并未影响到对脑科学的投资，相反，还期望通过对脑科学的投资，开发新高技术以刺激经济复苏。此外，九州工业大学也正积极筹
备在2001年正式成立培养跨学科脑科学研究的博士生院。
2日本脑科学研究中一些令人瞩目的特点
在此次考察访问中，日本脑科学研究的下列特点给我们留下了深刻的印象：
2.1高度的跨学科性
由于脑科学研究的是物质的最高级、最复杂的运动形式，它不可避免地要涉及到作为其基础的较为低级的各种运动形式，因此脑科学本质上就是跨学科的。若
仅罗列和脑科学关系最紧密的学科名称，也至少可以举出生物化学、形态学、生理学、物理化学、行为科学、药物学、临床医学、认知科学、分子生物学、信息科
学、测量技术，特别是最后的三个领域将对脑科学发展起到至关重要的作用。
日本的脑科学研究已绝不局限于神经生理学、神经解剖学、神经化学这样经典的范围之内，研究课题组也绝不局限于专门从事生命科学研究的机构。作为日本
脑科学研究中心的BSI设立在理化学研究所之中就是非常有代表性的例子。从此次访问过的四十多个实验室所在单位的名称也可看到日本从事脑科学研究的人员
的专业出身领域之广。还有一点值得指出的是我们所遇到的脑科学研究者中不少人同时拥有工学博士(或理学博士)和医学博士双学位。这说明日本脑科学研究的
跨学科性已不再局限于不同专业专家之间的协作，而已经达到一人而身兼二任的程度。这充分体现了跨学科研究的深度。
为了适应脑科学研究对跨学科人才的需要，九州工业大学一些系的教授已联合起来积极筹备，准备在2001年正式成立称为"生物机能系统工程"的博士研
究生院，下设"生物机能工程"和"脑信息工程"两个方向，并制定了详细的教学计划。据最新得到的消息，日本文部省更倾向于支持只办后一个方向。这也充分
反映出日本脑科学跨学科研究深入到一定程度提出的对人才培养的需要。
2.2不仅是"赶"，更着眼于"超"，首次提出了"创造脑"的新口号
日本学者认为美国脑的十年主要是"保护脑"，亦即征服脑疾患的问题。欧洲脑的十年则不仅有保护脑的内容，又增加了"了解脑"的内容，亦即阐明脑功能
的问题。日本则全面地提出了"了解脑、保护脑、创造脑"的口号。所谓"创造脑"亦即开发脑型计算机，力图在"创造脑"方面做出自己的特色，力争使其脑科
学至少在这一方面居于国际领先水平。例如伊藤正男教授建立脑科学研究所的目的之一，就是希望帮助日本的神经科学家开拓出某些独特的研究领域(例如理论神
经科学)并将其应用于机器人学和计算机科学。伊藤正男教授和他的同事相信BSI对理论工作的重视将成为该所的一个突出的特点。这方面的一个重要问题就是
研究信息处理的基本原则，并研究这些基本原理如何既适用于脑又适用于计算机。甘利俊一教授强调指出"创造脑"在理论方面主要是两大任务：一方面是要用理
论模型并通过对它的分析，来说明脑是如何工作的，另一方面则是研究神经计算的数学基础。松本元教授(Gen Matsumoto)则提出了要开发脑式计
算机(Brainway Computer)，这种计算机的工作原理和脑是一样的，其特点是它能自行选取它所要处理的信息，并自行获取对所选取的信息进
行处理的算法。
2.3强烈的应用背景，又不急功近利
伊藤在会见我们时强调指出脑科学是下一世纪的核心，其目的在于解决日本在下一世纪中所面临的两个主要社会问题：1社会老龄化的问题，以及由于信息社
会快节奏所带来的各种脑疾患者以及由于其它原因所引起的各种脑疾患问题。事实上目前日本每年在这方面的开支已达320亿美元，亦即占全部医疗开支的
20％左右。这些问题不能得到妥善的处理不仅消耗大量的社会财富，而且严重影响人们的生活质量。2发展信息社会所必需的"脑型机器"。人机界面的智能化
将极大地推动信息机器的普及，而新型类脑计算机的开发，则使我们能用这些机器做目前仅有人才能够擅长而传统的Von Neumann计算机所不擅长的各
种工作如模式辨认之类。当然各种新型智能机器人的开发则更为提高自动化程度提供有力的武器。
2.4高度重视发展脑科学研究所需要的新技术和新材料
脑科学研究所为此专门成立了一个"高技术开发中心"(ATDC)，其目的不仅在于开发出这些新技术和新材料以促进脑科学的发展，还期望由此形成新的
产业。
在此次访问中，日本对脑功能成象技术的重视给了我们很深的印象，尤其是功能磁共振成象(fMRI)、脑磁图(MEG)和光记录(OR)技术。
2.5脑科学实验和理论模型的紧密结合
和当前国际上脑科学日趋重视脑理论和脑模型的趋势一致，日本在脑科学的发展上非常重视实验和理论模型的紧密结合。日本脑科学委员会议长伊藤正男教授
坚信除非神经科学的理论基础得到加强，否则它就会走进一条死胡同。他把对理论工作的重视作为脑科学研究所的一个突出的特点，并企图在这方面使日本居于世
界的领先地位。在日本的"脑时代计划"中也把"运用脑功能建模计算和构建技术"与无创伤性脑活动测量技术相提并论作为"当前主要的新的研究手段，正在把
精神活动的研究带入到脑科学的范畴。"并指出"信息科学在计算机等领域取得的进展，使人们有可能进行计算机和综合研究，从而通过脑功能原理的建模来阐明
脑的机制"。
在BSI中就有五个课题组专门从事脑理论和脑模型的工作，它们是：脑操作表达(Brain－operative expression)、脑操作装
置(Brain－operative device)、开放信息系统、信息综合和神经建模。
玉川大学所组织的每年一次的"动态脑论坛"的一个显著特点就是汇集了实验研究和理论研究两方面的科学家，并且其中不少如上所述为一身而兼两任者，通
过深入的研讨促进脑科学实验研究和理论研究之间的紧密结合。
3当前日本脑科学研究中的一些热点
根据此次访问的所见所闻及作者自己的理解作一扼要的介绍。相信以下所列举的一些方面至少还是可以反映当前日本脑科学研究中最为活跃的一些领域。
3.1神经元功能的分子生物学研究
这方面的研究主要集中在研究控制产生特异性神经元功能的分子和细胞机制，以及神经回路中突触联系的可塑性变化的分子和细胞机制。
3.2分子神经病理学研究
这方面的研究主要集中在确定导致某些脑功能紊乱的神经性疾病基因，以及象Alzheimer氏病这样的神经性病患的分子机制。
3.3脑功能成象
无损伤的脑功能成象技术，特别是功能性核磁共振成象技术(fMRI)和脑磁图(MEG)使我们可以在正常生理条件下客观地观察人被试在进行精神活动
时脑不同区域的激活状态，从而为科学地客观研究人的心智问题提供了有力的工具，因而受到了极大的重视。例如东京大学一个学校就至少拥有专门从事基础研究
工作的fMRI两台以上，BSI则拥有磁场强度达4T的fMRI(全世界共四台)。利用这一技术所进行的初步工作已表明当人在进行有细微差别的认知活动
时，fMRI已能检测出这种差别。
fMRI优点很多，但毕竟对被试要外加强磁场，长期作用究竟对人体健康有否影响尚难下定论，而被动地探测由于神经电活动产生的脑磁图就避免了这一缺
点。另外脑磁图和脑电图比较起来有定位精确的优点，而又和脑电图一样有很高的时间分辨率，因此也引起了人们的重视。缺点是脑磁非常微弱，仅为地磁场的百
分之一，因此实验条件要求很高，价格昂贵。用fMRI和MEG可以从整体水平上研究脑的功能活动，而传统的电生理技术可以记录单个神经细胞的功能活动，
这是研究手段上的另一端。介于两者之间的是需要知道一群相互联结的神经元群体的动态活动。光记录则正好弥补了这一环节。光记录技术既有用于脑片研究的，
特别是以海马脑片为标本研究长时程增强和长时程遏制过程最为活跃，也有应用于在脑体表面的，例如确定对不同视觉特征进行编码的神经元集群区域。
3.4人的信息处理机制和智能化人机界面的研究
人类社会正在成为信息社会，每个人都越来越频繁地和各种信息处理系统打交道。为了能使尽可能多的人会使用各种信息处理系统，以及减轻人使用各种信息
处理系统时的负担，就自然地提出了人机界面智能化和对使用者"友善"的问题，亦即要使使用者尽可能觉得不是在和机器打交道。为此首先要研究人脑是如何进
行信息处理的，然后把这方面的知识移植到机器人上去，创造智能化的对使用者友善的人机界面。我们此次访日看到许多单位在从事此类研究，而其中特别值得一
提的是国际电气通讯基础技术研究所(ATR)的"人的信息处理实验室(HIP)"。该室从制订了1992年起到2001年止为期九年耗资160亿日元的
庞大计划，从视觉信息处理(视觉模式建模、视觉模式的神经信息处理、影像形成过程)、语音处理(语音产生和感知、语音的神经信息处理、语音信息生成)以
及信息整合和产生(多模态(modal)感觉信息的整合机制，信息产生的整合和分析)三方面进行研究。在这些研究中特别注意下列三点：1多模态通讯：在
人的通讯中五种感觉是相互协同作用的，亦即人际通讯在本质上是"多模态"的，例如视觉信息(唇的形状)就对语音感知有明显的影响；2发生和感知之间的相
互作用：特别注意视觉和听觉的主动功能，例如听觉反馈对言语发生的作用，以及眼动对主动视觉的作用；3脑通讯：人际通讯实质上是脑对脑的通讯，因此脑在
信息处理中的功能是必须解决的最重要的问题。以上这些问题既是有关脑信息处理的基础研究，又有着极为重要的应用前景。
3.5类脑机器(Brain－like machine)和脑型计算机(Brain style computer)的研究
从这次我们访问的所见所闻来说，这方面的工作主要集中在下列两个方面：1大规模立体多层次神经芯片的研制；2各种各样智能机器人的研制：就我们看到
的除了上节中所述HIP所研制的基于小脑研究之上能学习高难度动作的机器人之外，在ETL我们看到了能自动追踪运动目标的机器人以及活动机器人之间的协
作(如一个机器人帮助扫清另一行进中的机器人途中的障碍)，在东京大学更看到了形状各不相同的形形色色的机器人，该实验室的负责人Incue教授向我们
强调指出机器人也必须从A (Artificial，即人工)向B (Biological，即生物)发展。
3.6动态脑(Dynamic Brain)的研究
所谓动态脑就是研究脑活动的动态过程以及研究它的(非线性)动力学性质。在现在这样的时刻提出这样的命题是由于一方面技术的发展提供了我们检测脑的
动态活动的技术手段，如光记录技术、fMRI等，另一方面也是由于数理和信息科学的发展提供了我们研究脑的动力学性质的理论工具。玉川大学的脑科学研究
中心从1996年起每年都出资资助举行国际性的"动态脑论坛"学术会议，从以上两个方面检阅当前在动态脑研究方面的进展，并且留出很长的时间进行深入的
讨论。在ICONIP'98大会上动态脑分组成为最大的一个分组。
4日本的脑科学发展战略
1996年日本制订了为期二十年的"脑科学时代－脑科学研究推进计划"，正式提出了日本脑科学发展的战略目标，以及为期五年、十年和廿年的分阶段目
标。该计划按照"了解脑，保护脑，创造脑"的总思路分成三大领域。
4.1了解脑－阐明脑功能4.1.1阐明产生感知、情感和意识的脑区结构和功能
第一阶段的目标是尽可能详细地确定脑的功能定位，并研究认知、运动、情感和学习的机制；第二阶段则进一步深入到一些人类特有的高级脑功能，如思维、
直觉和自我意识等。
4.1.2阐明脑通讯功能
第一阶段的目标是定位人的语言脑区，阐明语言信息在脑神经网络中表达的机制，并了解人与动物之间通讯功能上的差异，阐明姿势、手势等非语言通讯的机
制。第二阶段的目标是了解人类获得语言能力的过程，以及语言、思想和智力之间的关系。
4.2保护脑－征服脑疾患4.2.1控制脑发育和衰老过程
在控制脑发育方面第一阶段的目标是识别与发育及脑分化相关的基因家族，并发展调节动物脑发育和分化的技术手段；第二阶段的目标是把这些研究成果应用
于人类，以有助于大脑的健康发育和防止发育异常。在控制衰老过程方面，第一阶段的目标是用离体培养的脑细胞来研究衰老过程，发展人为控制或延缓衰老的方
法，然后将这些研究成果应用到动物脑中，以开发控制脑衰老的方法。第二阶段的目标是开发控制人脑衰老的方法。
4.2.2神经性精神性疾病的康复和预防
第一阶段的目标为对于外因性的疾病(如艾滋病和克雅二氏病)开发药物和预防措施，建立药物成瘾性的疗法；着手发展通过人造神经和肌肉来修复受损伤脑
组织的方法；阐明一些单内因性的疾病(如亨廷氏午蹈症等)的机制；发展神经组织移植和基因疗法。第二阶段的目标为阐明一些由混合内因引起的功能紊乱的机
制，如老年性痴呆、帕金森氏症和精神分裂症，并建立药物疗法，发展基于基因疗法的治疗和预防方法。
4.3创造脑－开发脑型计算机4.3.1发展脑型器件和结构
第一阶段的目标为开发超大规模的具有脑的学习和记忆能力的神经元芯片；开发专门的器件和结构，把上述芯片和多模态传感器结合起来，从而具有智力认知
功能，并具有脑一样的自组织联想记忆功能。第二阶段的目标是构建具有智力、情感和意识的脑型计算机。
4.3.2脑型信息产生和处理系统的设计和开发
第一阶段的目标为开发脑型记忆系统的设计原理，研制用于计划和有监督的自适应系统以及基于神经和混沌动力学的思考与决策系统。第二阶段的目标是根据
上述设计原理和新的神经元芯片产生新的信息处理技术，这种技术将运用于不确定的模糊波动的环境，并能了解人的情感、行为和意图，最终研制出支持人类机能
的机器人系统。
以上所述是根据行之于文件的内容归纳出来的，至于其目标是否过于宏大或能否实现则恐怕还是可以讨论的问题，但无论如何它告诉了我们日本的脑科学研究
的努力将投向何方。
5结语
此次赴日本考察访问虽近四周，仍属走马看花，但对于日本脑科学研究的现状与发展战略还是取得了概括性的了解并留下了深刻的印象。
日本已把推进脑科学研究作为其国策，目的非常明确，是要解决下一世纪日本所面临的老龄化和信息化的两大问题，并推进我们对人类自身的了解，力争使其
脑科学研究居于世界前列。日本把下一世纪称为脑的世纪，当然这样叫是否最恰当还可斟酌，但无疑脑科学是下一世纪最前沿的带头科学之一。
日本在脑科学方面非常重视跨学科研究。除了从分子生物学的角度研究神经元的结构与功能的分子机制以及脑疾患的分子和基因机制，运用脑功能成象技术客
观研究脑的功能运动过程这样一些国际上普遍注意的跨学科研究之外，特别突出的是信息科学和脑科学的结合，不仅要阐明脑的信息处理机制，还要开发全新的脑
型计算机或类脑机器，企图在这方面独树一帜，引导世界潮流，并已着手这方面高级人才的培养规划，甘利俊一教授和松本修文教授都指出制定科学规划时不但要
根据学科今天的情况，而更应着眼于预期学科的明天！
作者单位：顾凡及 复旦大学生理学和生物物理学系立人实验室上海200433
齐翔林＊＊郭爱克汪云九 中国科学院生物物理所视觉信息加工开放实验室北京100101