讀懂人腦 服務臨床
——記復旦大學類腦智能科學與技術研究院青年研究員賈天野

干思思

數年前，科幻電影《超體》風靡全球，女主角被注射毒藥，命懸一線之際，藥品竟激發了她大腦的潛力。這導致女主角100%的大腦神經元被激活。電影以其超凡的想象力和震撼的視聽效果，使得人腦潛能成為廣泛熱議的話題。人們不禁要問：人腦的運作機制究竟是怎樣的？藥物能否促進人腦潛能開發？類腦人工智能真的能實現嗎？

要回答這些問題，讀懂大腦是第一步，也是最關鍵的一步。多年來，復旦大學類腦智能科學與技術研究院青年研究員賈天野致力于挖掘神經影像遺傳學數據，以探索人類認知行為及精神障礙的復雜神經生物學機制，并取得了一系列高水平的、具有國際影響力的研究成果。這一系列的工作成果為最終讀懂人腦做了諸多積極探索，為精神疾病的診療新方法及類腦智能研究提供了重要的啟發思路和理論基礎。

厚積薄發 鋒芒初現

賈天野

賈天野出生于天府之國四川，以優異的成績考取了復旦大學物理系，但他有些“遺憾”，他回憶：“本來我的第一志愿是生物專業，但省前兩名報的也是生物學，只得轉而學物理專業。”然而，多年的求學生涯之后，賈天野說道：“塞翁失馬焉知非福，物理是最講究實證的科學之一，系統性的學習物理培養了我嚴謹的實證主義治學態度。”這對于所有自然科學類的研究都是極其重要的；另一方面近代的很多物理學上的重大進展又源于天馬行空般的靈光一現，這一段“精彩的歷史”為科學研究帶來了一抹少有的“浪漫主義”色彩。“基于前人的一些研究成果，提出大膽想法，并在后續研究中驗證”賈天野表示，“這樣的研究是非常引人入勝的。”因此，物理學的學習經歷使得他形成了“大膽假設、小心求證”的治學理念。

本科畢業后，賈天野遠赴英國伯明翰大學攻讀計算基因組學博士學位。計算基因組學是一門運用高性能計算機和信息技術，對基因組數據進行計算分析和統計建模的學科，屬于遺傳學范疇。從傳統的物理學轉到新興的計算基因組學，無論是研究內容，還是研究方法上，都有著很大的區別，也意味著研究者要付出更多的努力。“挺坎坷的。”回憶起讀博時光，賈天野不禁感慨。確實，不僅要快速適應、熟悉一門新的學科，還要在短時間做出成果，實屬不易。苦心人，天不負。5年后，賈天野最終順利畢業，達成了“學生物”的夙愿。

2010年前后，倫敦國王學院啟動了關注青少年“強化”行為的縱向歐洲合作研究——IMAGEN計劃，采集大約2000個群體青少年樣本在10年間的縱向追蹤數據，涵蓋了全維度的基因組、腦神經影像及行為數據。這樣海量且豐富的數據，不僅在當時，即使在今天也是獨一無二的。“我當時意識到基因組相關研究要求大樣本數據作為支撐，而IMAGEN豐富的研究數據可以滿足這一要求。”因此，賈天野作為生物信息研究員加入世界著名的倫敦精神病研究院（現隸屬于倫敦國王學院）。

獲得海量生物大數據的支持，在加入倫敦國王學院的第二年，賈天野就有了重要發現。通過結合神經影像、行為及遺傳學信息，他與同事首次實現了“遺傳-神經機制-酗酒行為”的神經生物學模型在人類以及實驗動物上的雙重驗證，并于2012年發表在國際權威綜合期刊PNAS上。該研究引起了社會及學界的廣泛關注，包括路透社及英國廣播電臺（BBC）紛紛跟進報道，而物質成癮領域的權威期刊Addiction Biology主編、德國海德堡大學精神藥理學研究院院長Rainer Spanagel教授，在社論式回顧文章中，兩次舉例該研究成果作為“當前最先進的飲酒成癮遺傳學研究范式”的例證。

此后，賈天野再接再厲，通過神經影像的全基因組關聯分析、行為遺傳學分析及動物模型驗證，發現并確認了VPS4A基因作為腹側紋狀體獎賞加工及多動行為的遺傳學基礎，并提出可能的分子神經調控通路。論文發表在2016年的PNAS上，并被荷蘭皇家科學院Barbara Franke院士在多個綜述中作為影像遺傳學的重要早期范例詳細引用。

本科4年，在海外讀博、工作11年，用了15年時間，賈天野完成了漫長而又艱辛曲折的學習、積累過程。如一柄利劍，經過捶打淬煉，正待出鞘。

上下求索

近年來，隨著社會發展導致的人口老齡化、競爭壓力升高等原因，神經退行性疾病及精神障礙的發病率均呈上升趨勢。因此，人類迫切地希望解構大腦運作的機制。另外一方面，進入21世紀后，世界各國都加緊了探索大腦機制的研究步伐，以期在這一前沿領域拔得頭籌，占領新的科技制高點。我國也啟動了相關研究，統籌開展以探索大腦秘密、攻克大腦疾病為導向的腦科學研究和以建立與發展人工智能技術為導向的類腦研究。

2015年，復旦大學類腦人工智能科學與技術研究院誕生。作為國內高校最早成立的腦科學、人工智能、類腦研究交叉融合的科研創新機構，其旨在面向腦與類腦科技創新重大前沿和國家重大戰略需求，開展大腦認知機制解析、神經形態仿真、類腦智能算法、腦疾病智能診療、通用智能和群體智能等原創性基礎研究和應用研究。延攬世界一流人才，成為研究院發展的必然。賈天野出色的研究成果，引起了人工智能與大數據研究專家、類腦人工智能科學與技術研究院院長馮建峰教授的關注。其實，早在2014年，研究院尚在籌建之時，馮院長就曾動員賈天野回國。回歸祖國，以一身本領回饋母校，也是賈天野深藏內心多年的夙愿。面對馮教授的邀請，賈天野立刻答應并加快結束已開展的研究工作，以期早日歸國。研究院建成后不久，賈天野作為青年研究員全職加入進來，在馮建峰教授等學術帶頭人的帶領下，繼續針對人類認知行為和精神障礙進行神經影像及遺傳學研究，并在回國后的短短幾年內，連續做出了多項重要的研究成果。

針對神經影像缺乏可靠的大規模遺傳-環境交互作用（例如其重要的表征物DNA甲基化）相關研究的狀況，賈天野與Dr.Desrivières合作開展了一場探索性的科研之旅。通過對來自全世界11個甲基化工作組3337名人類被試者的數據進行分析研究，他們發現了海馬體積的表觀遺傳學基礎，并原創了DNA甲基化“跨組織等效性檢驗”統計模型，可有效回答表觀遺傳學中生物學標記物在不同器官/組織間的等效性問題。相關一作論文發表在2019年的分子精神病學的權威期刊Molecular Psychiatry上。

針對青少年中常見精神障礙共病和分型的神經基礎這一關鍵科學問題，賈天野從“強化”相關的特異性神經環路入手，構建多任務模態神經影像大數據解析多維度行為數據的研究新思路/范式，揭示了精神障礙相關行為在不同認知神經環路上的特異性神經標記物，為跨疾病診斷及分型治療提供了重要的理論基礎，被英國皇家學會Trevor Robbins院士稱贊為“開創性的研究”。相關一作兼共同通訊論文發表于2020年的Nature雜志子刊、國際權威綜合性期刊Nature Human Behaviour上。

就在最近，針對“負向信息調控紊亂”與酒精濫用的關聯這一新興的研究方向，賈天野與指導的博士生謝超一起，基于在人類認知行為、神經影像數據上的發現，以及動物模型上的證據，以“互補性原理”出發，原創性地發現并提出大腦“內側眶額葉”對中腦危機響應中樞“背側導水管周圍灰質”不同類型的調控紊亂可導致強迫性或沖動性酒精濫用的雙通路模型。相關共同一作兼共同通訊論文發表于2021年的Science雜志子刊、國際權威綜合性期刊Science Advances上。這一研究的發現因為突破了傳統上專注于“中腦-邊緣”獎賞系統的成癮問題研究范式，被英國皇家學會Barry Everitt院士稱贊為“極其重要”。而英國醫學科學院David Nutt院士認為此研究“見解深刻”，并對新的治療手段的開發具有重要的啟發作用。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。在類腦科學研究上，賈天野還將繼續向前。

砥礪前行

作為青年科研工作者，賈天野沖鋒在前，已取得諸多驕人成果。面對成績，他不驕不躁，依然葆有科研初心，腳踏實地、逐步深入地開展著系列研究。

“我們試圖更精細地劃分大腦的一些功能，獎賞加工和注意加工這兩種截然不同的大腦信息加工通路往往是同時出現的，有沒有什么方法能夠對他們進行拆分，提高觀測信號的特異性？這就是我們正在進行的工作，并且已經有了非常令人振奮的進展。”賈天野介紹。

除了科研工作外，賈天野還代表類腦研究院負責張江國際腦庫的建設協調工作。據介紹，張江國際腦庫（ZIB）又稱“國際腦科學全維度腦庫”，是研究院下設的生物醫學大數據中心，也是上海市“腦與類腦智能基礎轉化應用”市級重大專項支持建設的重要基礎設施平臺。按照“三庫（干庫、濕庫、算法庫）融合，多源共享”的建設思路和“全維度、多模態、跨時空”的數據獲取模式，干庫和算法庫由類腦研究院聯合多家國內外醫療和科研機構共同建設。

團隊合影

“現在，ZIB已擁有UK Biobank、ABCD、HCP等國際共享數據庫52萬余例。而到2023年，它將圍繞精神分裂癥、抑郁癥、自閉癥、腦卒中、精神退行性疾病以及大學生人群等6個隊列共1.5萬人次，采集環境、行為、遺傳、腦影像、神經等5-O尺度數據，并在全國建立多個腦科學數據庫臨床合作點。”說起ZIB，賈天野如數家珍。據了解，ZIB也將與全球主流生物數據庫建立安全、互利的合作共享機制，致力于建成全球最大規模的全維度腦數據庫和算法中心之一。

作為青年研究員，賈天野在馮建峰院長的指導下開展研究工作。同時，作為年輕一代的科研骨干，賈天野身邊也聚集了數位優秀的博士生，在他的指導下，他們實現了快速成長。類腦科學往往涉及大量的多學科交叉融合的前沿研究方向，需要不同學科背景的研究者進行思維的碰撞，僅僅依靠某一學科，某一個人“單打獨斗”很難取得突破進展。對此，賈天野深有感觸，他的團隊匯聚了來自基礎心理學、生命科學、統計學及應用數學方向的博士生，他也總是會鼓勵學生們互相幫助、互相學習，從個人特異性的研究視角去切入腦科學領域的重要問題，并在這個過程中實現個人的進步和團隊整體研究能力的提升。研究院有個傳統——每周二下午都會組織固定的大討論，討論會的內容覆蓋數學、物理學、神經科學和臨床醫學等多個學科，還吸引和集聚了國內外各個學科專業的科研合作者，常常是100余人同時在線參與，層次和水平不亞于一場國際論壇。這是難得的頭腦風暴和學習的機會。賈天野總是會帶領學生學習、觀摩、“參戰”。

賈天野表示，相信伴隨著類腦研究院的快速蓬勃發展，借助國內腦科學研究的春風，通過團隊和自己的不懈努力、不懈奮斗，會在人類認知行為及精神障礙等腦科學研究領域做出更多、更重要的成績。