读懂人脑 服务临床——记复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员贾天野

干思思

数年前，科幻电影《超体》风靡全球，女主角被注射毒药，命悬一线之际，药品竟激发了她大脑的潜力。这导致女主角100%的大脑神经元被激活。电影以其超凡的想象力和震撼的视听效果，使得人脑潜能成为广泛热议的话题。人们不禁要问：人脑的运作机制究竟是怎样的？药物能否促进人脑潜能开发？类脑人工智能真的能实现吗？

要回答这些问题，读懂大脑是第一步，也是最关键的一步。多年来，复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员贾天野致力于挖掘神经影像遗传学数据，以探索人类认知行为及精神障碍的复杂神经生物学机制，并取得了一系列高水平的、具有国际影响力的研究成果。这一系列的工作成果为最终读懂人脑做了诸多积极探索，为精神疾病的诊疗新方法及类脑智能研究提供了重要的启发思路和理论基础。

厚积薄发 锋芒初现

贾天野

贾天野出生于天府之国四川，以优异的成绩考取了复旦大学物理系，但他有些“遗憾”，他回忆：“本来我的第一志愿是生物专业，但省前两名报的也是生物学，只得转而学物理专业。”然而，多年的求学生涯之后，贾天野说道：“塞翁失马焉知非福，物理是最讲究实证的科学之一，系统性的学习物理培养了我严谨的实证主义治学态度。”这对于所有自然科学类的研究都是极其重要的；另一方面近代的很多物理学上的重大进展又源于天马行空般的灵光一现，这一段“精彩的历史”为科学研究带来了一抹少有的“浪漫主义”色彩。“基于前人的一些研究成果，提出大胆想法，并在后续研究中验证”贾天野表示，“这样的研究是非常引人入胜的。”因此，物理学的学习经历使得他形成了“大胆假设、小心求证”的治学理念。

本科毕业后，贾天野远赴英国伯明翰大学攻读计算基因组学博士学位。计算基因组学是一门运用高性能计算机和信息技术，对基因组数据进行计算分析和统计建模的学科，属于遗传学范畴。从传统的物理学转到新兴的计算基因组学，无论是研究内容，还是研究方法上，都有着很大的区别，也意味着研究者要付出更多的努力。“挺坎坷的。”回忆起读博时光，贾天野不禁感慨。确实，不仅要快速适应、熟悉一门新的学科，还要在短时间做出成果，实属不易。苦心人，天不负。5年后，贾天野最终顺利毕业，达成了“学生物”的夙愿。

2010年前后，伦敦国王学院启动了关注青少年“强化”行为的纵向欧洲合作研究——IMAGEN计划，采集大约2000个群体青少年样本在10年间的纵向追踪数据，涵盖了全维度的基因组、脑神经影像及行为数据。这样海量且丰富的数据，不仅在当时，即使在今天也是独一无二的。“我当时意识到基因组相关研究要求大样本数据作为支撑，而IMAGEN丰富的研究数据可以满足这一要求。”因此，贾天野作为生物信息研究员加入世界著名的伦敦精神病研究院（现隶属于伦敦国王学院）。

获得海量生物大数据的支持，在加入伦敦国王学院的第二年，贾天野就有了重要发现。通过结合神经影像、行为及遗传学信息，他与同事首次实现了“遗传-神经机制-酗酒行为”的神经生物学模型在人类以及实验动物上的双重验证，并于2012年发表在国际权威综合期刊PNAS上。该研究引起了社会及学界的广泛关注，包括路透社及英国广播电台（BBC）纷纷跟进报道，而物质成瘾领域的权威期刊Addiction Biology主编、德国海德堡大学精神药理学研究院院长Rainer Spanagel教授，在社论式回顾文章中，两次举例该研究成果作为“当前最先进的饮酒成瘾遗传学研究范式”的例证。

此后，贾天野再接再厉，通过神经影像的全基因组关联分析、行为遗传学分析及动物模型验证，发现并确认了VPS4A基因作为腹侧纹状体奖赏加工及多动行为的遗传学基础，并提出可能的分子神经调控通路。论文发表在2016年的PNAS上，并被荷兰皇家科学院Barbara Franke院士在多个综述中作为影像遗传学的重要早期范例详细引用。

本科4年，在海外读博、工作11年，用了15年时间，贾天野完成了漫长而又艰辛曲折的学习、积累过程。如一柄利剑，经过捶打淬炼，正待出鞘。

上下求索

近年来，随着社会发展导致的人口老龄化、竞争压力升高等原因，神经退行性疾病及精神障碍的发病率均呈上升趋势。因此，人类迫切地希望解构大脑运作的机制。另外一方面，进入21世纪后，世界各国都加紧了探索大脑机制的研究步伐，以期在这一前沿领域拔得头筹，占领新的科技制高点。我国也启动了相关研究，统筹开展以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立与发展人工智能技术为导向的类脑研究。

2015年，复旦大学类脑人工智能科学与技术研究院诞生。作为国内高校最早成立的脑科学、人工智能、类脑研究交叉融合的科研创新机构，其旨在面向脑与类脑科技创新重大前沿和国家重大战略需求，开展大脑认知机制解析、神经形态仿真、类脑智能算法、脑疾病智能诊疗、通用智能和群体智能等原创性基础研究和应用研究。延揽世界一流人才，成为研究院发展的必然。贾天野出色的研究成果，引起了人工智能与大数据研究专家、类脑人工智能科学与技术研究院院长冯建峰教授的关注。其实，早在2014年，研究院尚在筹建之时，冯院长就曾动员贾天野回国。回归祖国，以一身本领回馈母校，也是贾天野深藏内心多年的夙愿。面对冯教授的邀请，贾天野立刻答应并加快结束已开展的研究工作，以期早日归国。研究院建成后不久，贾天野作为青年研究员全职加入进来，在冯建峰教授等学术带头人的带领下，继续针对人类认知行为和精神障碍进行神经影像及遗传学研究，并在回国后的短短几年内，连续做出了多项重要的研究成果。

针对神经影像缺乏可靠的大规模遗传-环境交互作用（例如其重要的表征物DNA甲基化）相关研究的状况，贾天野与Dr.Desrivières合作开展了一场探索性的科研之旅。通过对来自全世界11个甲基化工作组3337名人类被试者的数据进行分析研究，他们发现了海马体积的表观遗传学基础，并原创了DNA甲基化“跨组织等效性检验”统计模型，可有效回答表观遗传学中生物学标记物在不同器官/组织间的等效性问题。相关一作论文发表在2019年的分子精神病学的权威期刊Molecular Psychiatry上。

针对青少年中常见精神障碍共病和分型的神经基础这一关键科学问题，贾天野从“强化”相关的特异性神经环路入手，构建多任务模态神经影像大数据解析多维度行为数据的研究新思路/范式，揭示了精神障碍相关行为在不同认知神经环路上的特异性神经标记物，为跨疾病诊断及分型治疗提供了重要的理论基础，被英国皇家学会Trevor Robbins院士称赞为“开创性的研究”。相关一作兼共同通讯论文发表于2020年的Nature杂志子刊、国际权威综合性期刊Nature Human Behaviour上。

就在最近，针对“负向信息调控紊乱”与酒精滥用的关联这一新兴的研究方向，贾天野与指导的博士生谢超一起，基于在人类认知行为、神经影像数据上的发现，以及动物模型上的证据，以“互补性原理”出发，原创性地发现并提出大脑“内侧眶额叶”对中脑危机响应中枢“背侧导水管周围灰质”不同类型的调控紊乱可导致强迫性或冲动性酒精滥用的双通路模型。相关共同一作兼共同通讯论文发表于2021年的Science杂志子刊、国际权威综合性期刊Science Advances上。这一研究的发现因为突破了传统上专注于“中脑-边缘”奖赏系统的成瘾问题研究范式，被英国皇家学会Barry Everitt院士称赞为“极其重要”。而英国医学科学院David Nutt院士认为此研究“见解深刻”，并对新的治疗手段的开发具有重要的启发作用。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。在类脑科学研究上，贾天野还将继续向前。

砥砺前行

作为青年科研工作者，贾天野冲锋在前，已取得诸多骄人成果。面对成绩，他不骄不躁，依然葆有科研初心，脚踏实地、逐步深入地开展着系列研究。

“我们试图更精细地划分大脑的一些功能，奖赏加工和注意加工这两种截然不同的大脑信息加工通路往往是同时出现的，有没有什么方法能够对他们进行拆分，提高观测信号的特异性？这就是我们正在进行的工作，并且已经有了非常令人振奋的进展。”贾天野介绍。

除了科研工作外，贾天野还代表类脑研究院负责张江国际脑库的建设协调工作。据介绍，张江国际脑库（ZIB）又称“国际脑科学全维度脑库”，是研究院下设的生物医学大数据中心，也是上海市“脑与类脑智能基础转化应用”市级重大专项支持建设的重要基础设施平台。按照“三库（干库、湿库、算法库）融合，多源共享”的建设思路和“全维度、多模态、跨时空”的数据获取模式，干库和算法库由类脑研究院联合多家国内外医疗和科研机构共同建设。

团队合影

“现在，ZIB已拥有UK Biobank、ABCD、HCP等国际共享数据库52万余例。而到2023年，它将围绕精神分裂症、抑郁症、自闭症、脑卒中、精神退行性疾病以及大学生人群等6个队列共1.5万人次，采集环境、行为、遗传、脑影像、神经等5-O尺度数据，并在全国建立多个脑科学数据库临床合作点。”说起ZIB，贾天野如数家珍。据了解，ZIB也将与全球主流生物数据库建立安全、互利的合作共享机制，致力于建成全球最大规模的全维度脑数据库和算法中心之一。

作为青年研究员，贾天野在冯建峰院长的指导下开展研究工作。同时，作为年轻一代的科研骨干，贾天野身边也聚集了数位优秀的博士生，在他的指导下，他们实现了快速成长。类脑科学往往涉及大量的多学科交叉融合的前沿研究方向，需要不同学科背景的研究者进行思维的碰撞，仅仅依靠某一学科，某一个人“单打独斗”很难取得突破进展。对此，贾天野深有感触，他的团队汇聚了来自基础心理学、生命科学、统计学及应用数学方向的博士生，他也总是会鼓励学生们互相帮助、互相学习，从个人特异性的研究视角去切入脑科学领域的重要问题，并在这个过程中实现个人的进步和团队整体研究能力的提升。研究院有个传统——每周二下午都会组织固定的大讨论，讨论会的内容覆盖数学、物理学、神经科学和临床医学等多个学科，还吸引和集聚了国内外各个学科专业的科研合作者，常常是100余人同时在线参与，层次和水平不亚于一场国际论坛。这是难得的头脑风暴和学习的机会。贾天野总是会带领学生学习、观摩、“参战”。

贾天野表示，相信伴随着类脑研究院的快速蓬勃发展，借助国内脑科学研究的春风，通过团队和自己的不懈努力、不懈奋斗，会在人类认知行为及精神障碍等脑科学研究领域做出更多、更重要的成绩。