脑科学和类脑智能技术是当前国际重要科技前沿，其对人类健康和新一代人工智能技术及新型信息产业的发展意义重大，是国际科技界必争的重要战略领域。我国即将启动“中国脑计划”（脑科学和类脑研究）重大科技专项，以期在未来 15 年内，使我国在该领域处于国际前沿地位。为此，本刊特策划推出“脑科学与类脑智能”专题，系统评述国内外脑科学和类脑智能技术研究进展、未来 15 年发展趋势和有望解决的重大科学问题，以及我国在该领域的特色和优势。希望其对上述重大专项的实施、推进和我国相关领域的研究有所借鉴和助益。本专题由蒲慕明院士、郭爱克院士、谭铁牛院士、张旭院士共同指导推进，中科院院长白春礼院士作《序言》。

1脑科学与类脑智能研究重大意义

人类的大脑是生物演化的奇迹，它是由数百种不同类型的上千亿的神经细胞所构成的极为复杂的生物组织。理解大脑的结构与功能是 21 世纪最具挑战性的前沿科学问题；理解认知、思维、意识和语言的神经基础，是人类认识自然与自身的终极挑战。脑科学对各种脑功能神经基础的解析，对有效诊断和治疗脑疾病有重要的临床意义；脑科学所启发的类脑研究可推动新一代人工智能技术和新型信息产业的发展。

人工智能技术代表着国家竞争力，并正在以前所未有的速度渗透到现代服务业、工业和军事等领域中。可以说，没有智能技术武装服务业、工业和军事的国家与具备相关技术的国家之间的较量，就犹如侏儒和巨人的格斗。

脑科学和类脑智能技术正是两个重要的前沿科技领域，且二者相互借鉴、相互融合的发展是近年来国际科学界涌现的新趋势。脑科学研究对大脑认知神经原理的认识，提升了人类对自身的理解和脑重大疾病的诊治水平，也为发展类脑计算系统和器件、突破传统计算机架构的束缚提供了重要的依据。

中科院神经科学所蒲慕明院士、中科院自动化所徐波所长、中科院谭铁牛院士共同撰文《脑科学与类脑研究概述》 （点击文章题目，查看全文），概括性地总结了国际脑科学和智能技术领域的总体进展，未来 15 年的发展趋势和有望解决的重大科学问题，以及我国在这两领域发展的特色和优势。 

2中国及中国科学家的行动

对大脑的认知是人类认识自然和自身的终极挑战，脑科学研究的核心是理解脑功能的结构及物质基础。中科院在 2012 年启动了战略性先导科技专项（B 类）“脑功能联结图谱计划”（Mapping Brain Functional Connections， 2012—2020），目标是对特定脑功能的神经联结通路和网络结构的解析及模拟。专项代表了脑科学研究的战略制高点，对揭示脑的工作原理、推动智能科学技术进步、增进人类身心健康等方面都具有十分重要的意义。专项设立以来，在感知觉神经环路发育和功能、视觉与本能恐惧行为的神经环路机制、情绪的神经环路编码机制、成瘾和抑郁症等脑疾病机理、意识的神经基础、基因编译技术及脑疾病的非人灵长类模型、神经元分类和功能分析技术及其应用、神经环路双色钙成像方法、神经环路结构与功能研究工具开发、深度神经网络芯片研制，以及资源库与平台建设等方面取得了一系列重要的科学发现和技术研发进展。

专项首席科学家助理张旭院士、首席科学家郭爱克院士等在文章《“脑功能联结图谱与类脑智能研究”先导专项研究进展和展望》中，对专项及专项的研究做了详细解读，并指出将进一步按照专项十年规划，开展脑认知科学、类脑人工智能技术、脑疾病早期诊断及干预 3 个前沿领域的科学研究，以及相关新技术研发和脑科技资源库建设，发挥中科院在脑与认知基础研究和技术研发等领域的引领作用。

中科院前沿科学与教育局王力为等研究人员在文章《面向未来的中国科学院脑科学与类脑智能研究》中，详述了中科院在脑科学研究领域一直以来发挥的引领和带动作用，积累深厚，优势明显。率先启动了“脑功能联结图谱”先导专项研究，选择感知觉、学习记忆等几种重要大脑功能，绘制其神经环路图谱，解析其信息处理加工规律；率先在脑科学和智能技术两大领域进行实质性融合，在先导专项中扩充了类脑智能研究内容，成立了中科院脑科学与智能技术卓越创新中心，全面推进脑科学与类脑智能研究深度融合，为我国智能产业的发展提供科技引领与支撑。文章在分析国际脑科学与类脑智能发展态势的基础上，进一步阐述了中科院在脑科学与类脑智能研究方面的部署，并提出了未来加强脑科学与智能技术融合的举措与建议。

3相关科学领域的进展与解读

脑认知的神经基础

动物都需要认识和学习外界环境因素，动物认知能力的好坏，决定了动物在野外是否能够成功觅食、躲避天敌、繁衍后代；而人类认知能力，则决定了个人的人生轨迹、自我价值实现乃至对社会的贡献。

所有这些认知行为都是由神经细胞的功能来决定，其神经基础是脑科学的核心问题，也是人类认识自身的终极挑战。经过多年的研究，神经科学已经揭示了认知行为神经基础的一些基本原理：不同认知行为是由脑内不同的神经环路负责，需要各脑区内的局部神经环路与脑区间长程神经环路的协同工作；学习与记忆是许多认知功能的必要基础，这是由神经细胞之间突触联结的强度与结构的可塑性介导；神经调质（例如多巴胺）可以在多个尺度上调节神经网络的活动与可塑性，从而调控认知行为。中科院上海神经科学所李橙宇研究员等科学家所撰文章《脑认知的神经基础》聚焦感知觉、学习与记忆、抉择、社会行为、意识和运动控制等方面认知功能的神经基础进行了概述。认为，未来神经科学需要结合介观和微观尺度进行研究，这些研究将为理解宏观认知行为的神经基础提供重要线索，对于破解人类智能这一终极奥秘具有重要意义。同时，揭示认知行为的神经机制还是治疗脑疾病的必要基础，而且有助于推动脑启发的智能技术的发展。 

脑疾病的诊治

脑疾病是我国乃至全球人口健康领域正面临的重大挑战。全球有近 10 亿脑疾病患者，每年约带来经济负担 1 万亿美元。目前，绝大部分脑疾病尚无有效治疗方法。

中科院脑科学卓越创新中心脑疾病机理研究部负责人熊志奇研究员等在文章《脑重大疾病的机理和诊治》中提出，脑疾病的早期诊断和早期干预是脑疾病治疗的关键，我国有丰富的临床资源库，亟需建立国际规范化、全国统一化的采样、处理、分析标准和共享的规则。此外，单细胞和单分子技术是微观研究的新趋势，也是精准医疗的关键技术，在解析复杂脑疾病机理方面具有重要的价值。

脑疾病机理研究和新药开发亦十分迫切。由于进化上相近，非人灵长类的脑在结构、功能活动等多方面与人类高度相似。因此，相对于其他实验动物，非人灵长类具有解决人类问题，特别是脑相关问题的独特优势。它们除了是研究人类正常脑高级功能的关键实验动物外，还是最好的研究脑疾病机理和治疗方法的模型动物。中国不但有丰富的非人灵长类资源，而且在猕猴建模方面有很好的积累，尤其在转基因疾病猕猴模型创建方面，目前处于世界领先的地位。中科院昆明动物所胡新天研究员等在文章《非人灵长类模型》中，分析了脑疾病领域的国家战略需求，总结了国内外非人灵长类的应用情况，以及国内非人灵长类模型现状，并在此基础上对我国非人灵长类模型领域下一步发展的重点提出了建议。 

脑科学研究的新技术

脑科学研究的关键是要实现对神经元集群活动的实时观察，并通过特定神经环路的结构追踪及其活动操纵，研究其对脑功能的充分性和必要性，进而在全脑尺度上解析神经环路的结构和功能。

中科院神经科学所杜久林研究员及其他单位科学家撰文《脑科学研究新技术》，针对目前脑科学的发展需求，就亟需研发的几个关键技术方向——“神经信号新型检测技术”“新型显微成像技术”“神经环路形态追踪和功能操控技术”和“全脑尺度上神经环路重构技术”进行了阐述。并希望通过国家大型脑科学研究计划的顶层设计，集全国之力量，推动我国脑科学核心技术的研发，为脑科学和交叉科学的发展作出贡献，打破高端科研仪器长期为欧美垄断的局面。 

人工智能与类脑智能

人工智能学科自诞生之初便奠定了其模拟、延伸、扩展人类智能的宏伟目标。近年来人工智能研究的许多重要进展反映了一个趋势：来自脑科学的启发，即使是局部的借鉴都能够有效地提升现有人工智能模型与系统的智能水平。然而，想要真正逼近乃至超越人类水平的人工智能，还需要对脑信息处理机制更为深入的研究和借鉴。类脑智能研究的目标就是通过借鉴脑神经结构及信息处理机制，实现机制类脑、行为类人的下一代人工智能系统。

中科院自动化所所长徐波研究员等科学家在文章《类脑智能研究现状与发展思考》中，从受脑启发的新一代人工神经网络、基于记忆、注意和推理的认知功能模型、基于生物脉冲神经网络的多脑区协同认知计算模型等角度，并结合研究团队在类脑智能领域的研究进展，论述类脑智能的研究进展、发展方向和对未来发展的思考。

类脑智能是以计算建模为手段，受脑神经和人类认知行为机制启发，并通过软硬件协同实现的机器智能。中科院自动化所陶建华研究员等科学家在文章《类脑计算芯片与类脑智能机器人发展现状与思考》中，分析了类脑器件与计算系统中的类脑芯片和类脑机器人的发展现状和应用前景，重点探讨了类脑芯片在模拟人脑神经元模型和认知计算方面，以及类脑机器人在感知控制和智能生长方面的研究内容。文章还介绍了在中科院先导专项支持下，我国在这一方面的初步研究进展以及未来发展方向。最后，针对现有研究中遇到的问题，对类脑计算芯片与类脑智能机器人的进一步研究提出了建议，并指出未来研究在仿人运动模型、类人神经运动控制、人机协同的智能机器人控制等方面有望取得重大突破。