香山科學會議學術討論會——生物與醫(yī)學中的復雜性問題
二十世紀末,，隨著分子生物學的迅猛發(fā)展,，與人類健康密切相關的分子生物學數(shù)據(jù)大量產(chǎn)生,。同時,，醫(yī)學與生物學日益密切結合,，構成以健康為主要目標的生命科學的嶄新發(fā)展世態(tài)。新時期的人體健康科學既關注生物化學作用的分子信息,，也注重人體作為一個整體的系統(tǒng)特征，并開始注意研究在社會自然環(huán)境中的人,，這種科學觀正在將經(jīng)典科學還原論與系統(tǒng)論或綜合論結合起來,。生物信息技術和分析方法的發(fā)展和不斷完善，為全面理解人體系統(tǒng),，全面推進健康科學的發(fā)展提供了歷史性的契機,。
中醫(yī)學獨特的思維方法和對復雜系統(tǒng)整體狀態(tài)的把握以及中醫(yī)的有效性等方面引起了與會的各個領域專家的廣泛興趣。醫(yī)學專家和控制專家認為,，現(xiàn)代醫(yī)學和控制科學研究在許多基本的層面上存在共性：如對系統(tǒng)的建模與系統(tǒng)運作機理的研究,，用控制科學的理論方法對系統(tǒng)的演化加以干預并使得系統(tǒng)朝著預定目標演化等，因此兩大領域的合作研究具有廣闊的前景,。
在生物醫(yī)學研究中由于因素多,、數(shù)據(jù)多、信息量大存在客觀的復雜性,，但同時因為缺乏對系統(tǒng)本質規(guī)律的把握,、對系統(tǒng)重要因素的提煉，復雜性也具有主觀的因素,；開展復雜性研究,，既要發(fā)展處理海量數(shù)據(jù)的工具，也要不斷提煉復雜現(xiàn)象和復雜事物的本質規(guī)律,，找出系統(tǒng)的共性,；中醫(yī)學對人體內部的相互作用以及人體與環(huán)境的相互作用提出了眾多的命題，為現(xiàn)代醫(yī)學研究準備了豐富的素材,，但對中醫(yī)的理論體系的認識必須運用物理學,、生物學、數(shù)學,、控制論,、系統(tǒng)論等學科的最新知識,；中醫(yī)藥是中華文化的寶貴財富，應該成為中華民族立于世界之林的支柱產(chǎn)業(yè)之一,，要將中醫(yī)的發(fā)展放到國家科研發(fā)展戰(zhàn)略高度,。
日前，在北京召開了主題為“生物與醫(yī)學中的復雜性問題”的香山科學會議第255次學術討論會,。北京大學第三醫(yī)院韓啟德院士,、中科院自動化所戴汝為院士、北京大學的黃琳院士和佘振蘇教授擔任執(zhí)行主席,。來自生物物理學,、醫(yī)學、物理學,、力學,、心理學、控制等不同領域的37位專家參加了討論會,。會議中心議題為基礎醫(yī)學中的復雜性問題,、生物系統(tǒng)中復雜性問題、腦與認知中的復雜性問題,、復雜系統(tǒng)研究方法探討等,。
韓啟德院士在題為“生命科學與醫(yī)學中的復雜性”的主題評述報告中，就生命體復雜性,、醫(yī)學復雜性,、走出現(xiàn)代醫(yī)學困境等問題進行了論述。關于生命體復雜性,，認為生命體組成成分不是簡單的堆積,，而是彼此間有廣泛的相互作用，越是高級生命作用越廣泛,；組成成分之間的相互作用不是簡單直線性關系,，而是交錯編織成網(wǎng)絡，網(wǎng)絡使生命體復雜性具有層次性特征,；生命體存在于多因素,、多變化的環(huán)境中，隨時要接受外界的刺激和干擾,，是一種遠離平衡態(tài)的開發(fā)系統(tǒng),。關于醫(yī)學復雜性，認為生命體的多樣性,、復雜性決定了醫(yī)學本身的復雜性,；疾病是復雜的，不僅生命體本身病理過程復雜，而且心理,、社會,、環(huán)境等因素都會影響病理過程；許多復雜性疾病,，如心血管疾病,、癌癥、艾滋病等皆是生命體多層次,、多層面因素作用的結果,。關于走出現(xiàn)代醫(yī)學困境，指出在還原論指導下對生命和疾病的認識是局部的,、分離的,，仍停留在分析和描述的水平上；需要在研究方法和觀念上有大的突破,，需要各學科間相互協(xié)作,，共同努力應對面臨的新挑戰(zhàn)。他還介紹了2003年美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）推出的“路線圖計劃”,，強調探索發(fā)現(xiàn)生命現(xiàn)象的新途徑,。
中科院理論物理所郝柏林院士在題為“粗粒化描述與生物學符號序列的復雜性”的主題評述報告中,，指出生物學符號序列包括記載生物遺傳信息的DNA序列和生物基本構成的蛋白質序列,，是當代生物信息學研究的核心對象,。我們對自然界只能進行各個層次的粗?；枋觯至,；枋霾豢杀苊獾貙е路柡头栃蛄校òㄗ匀徽Z言）,，因此對符號序列的復雜性分析可以對我們認識各種復雜系統(tǒng)有所幫助。他還介紹了研究DNA序列的K串組分分析方法,，并從自己多年研究的經(jīng)驗中,，提煉出研究這些復雜符號序列的基本思路和方法，引起與會者廣泛關注和從中受到啟發(fā),，為深入探討復雜系統(tǒng)的一般性方法提供了具體的指導,。他還強調應該關注具體的復雜現(xiàn)象，關注復雜現(xiàn)象中的具體科學問題,。
基礎醫(yī)學中的復雜性問題
北京大學柯楊教授在基礎醫(yī)學中的復雜性的中心議題報告中,，通過腫瘤研究課題組所從事的腫瘤相關新基因的功能研究、腫瘤的人群遺傳易感性研究,、腫瘤病人免疫功能指標確定研究等,，分析了腫瘤疾病的復雜性。如同一種分子具備多種功能，不同的分子行使同樣功能,，同樣的分子,、通路、網(wǎng)絡,、發(fā)揮功能的時空差別,，多種類環(huán)境因素多基因相互作用，性別,、年齡和環(huán)境都對“正常值”產(chǎn)生影響等,。這些討論提出了基礎醫(yī)學研究中正面臨的一些具體問題，如面對個體間（年齡,、性別）的巨大差異,，如何確定免疫指標的正常范圍等。
朱宗涵研究員在“醫(yī)學科學中的系統(tǒng)復雜性研究”的專題報告中,，說明許多復雜性疾?。ㄈ绨┌Y）是多個因素引起的全身系統(tǒng)的功能紊亂。如果在這些疾病的治療過程中過分關注身體局部狀態(tài)的調整,，而忽視了整個身體狀況的改善會引起一系列不良后果,，因此對這些疾病的認識和治療急需引入系統(tǒng)化思維。他還提出了一系列醫(yī)學復雜性問題研究的新思路,，如人體復雜系統(tǒng)表現(xiàn)為三種反應方式——適應,，代償和失代償，這分別體現(xiàn)了人體健康的三種狀態(tài)——健康,，亞健康和疾病,。他進一步提出了醫(yī)學科學中的系統(tǒng)復雜性研究提綱，呼吁探討生命過程中信息作用的機制和原理,，探討生命信息的存在形式和動力學規(guī)律,，探討生命信息和環(huán)境的關系等，提出了有關生命科學中生命信息研究的新領域,，即生命信息動力學,。
中醫(yī)研究院劉德鱗教授在“復雜系統(tǒng)的中醫(yī)學思考”專題報告中，介紹了中醫(yī)學處理人體系統(tǒng)中應用的思維觀和方法論,，如系統(tǒng)結構的虛化,、系統(tǒng)運動的模化,、系統(tǒng)狀態(tài)的約化,，和系統(tǒng)模型的實化（可檢驗化）等。指出中醫(yī)研究人體復雜性時充分考慮到不同的目標,，不同的問題,，選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)。認為從中醫(yī)研究中可以提煉出研究復雜系統(tǒng)的一個重要思路是“有限地還原，有效地綜合”,。他還提出了多學科合作研究脈學的建議,，此項研究需要幾個學科如血管的研究、流體力學研究,、神經(jīng)科學研究領域學者的合作,。
國際著名的數(shù)學家丘成桐先生特地向會議發(fā)來了有關“面部望診與計算機幾何圖形分析”的書面報告。他認為中醫(yī)的發(fā)展需要吸收其它學科的先進知識和方法,，建議應用波動光學方法實時獲取人臉幾何數(shù)據(jù),，利用微分幾何方法對人臉表情的特征參數(shù)進行提取和分析，來實現(xiàn)中醫(yī)的“計算機模擬望診”,。
生物系統(tǒng)中復雜性問題
生物物理所陳潤生研究員在“基因組的復雜性”中心議題報告中,，介紹了生物基因研究的一個新方向，對DNA非編碼區(qū)的研究,。生物體的復雜結構和功能不僅僅是由基因決定的,，也是由基因組中大量的非編碼信息和非編碼基因決定的。他們研究團隊建立了國際上最新的非編碼基因數(shù)據(jù)庫,，發(fā)展了相應的軟件及檢索系統(tǒng),，其中突出貢獻是建立了非編碼基因的分類系統(tǒng)。他以具體研究為例,，說明后基因組時代對功能理解的本質發(fā)生了重要變化,，即從“序列→結構→功能”到“相互作用→網(wǎng)絡→功能”。因此生物體的復雜結構和功能不僅僅是由基因決定的,，也不僅僅是由基因組中大量的非編碼信息決定的,，而是由這些元素在生物體各個層次上復雜、動態(tài)的相互作用決定的,。
北京大學佘振蘇教授在“生物基因組復雜結構信息及其演化探索”專題發(fā)言中,，對生物復雜性的特點進行了總結和概括：生物結構具有多尺度跳躍性,；生物運動具有多時間尺度性,；生物多尺度運動之間似乎存在許多未知的相關，生物整體存在特殊的自組織性,。研究把握生物系統(tǒng)的自組織性,，是生物醫(yī)學研究中“綱舉目張”的思路。他還介紹了對生物基因翻譯編碼共性的提煉中發(fā)展的原核基因結構的MED模型及原核基因預測的MED系統(tǒng),。說明MED方法不僅預測了DNA序列中的基因,，而且還預測了一系列與物種翻譯轉錄相關的信息，為研究物種進化提供了有效的工具,。
來自美國Affmetrix公司的黃靜博士在“使用高密度DNA生物芯片在全基因組水平上研究染色體變異”的專題報告中,，指出很多實體性腫瘤中觀察到染色體數(shù)量的變化，在血癌中常觀察到染色體易位，染色體數(shù)量的變化還常和發(fā)育異常及智障相關聯(lián),。利用高密度DNA生物芯片的優(yōu)勢,，可以同時得到基因型及染色體數(shù)量的信息，是具有廣泛應用前景的生物分析技術,。
腦與認知中的復雜性問題
大連理工大學王興元教授在“EEG復雜性研究中的混沌分析方法”的中心議題報告中,，指出EEG信號是中樞神經(jīng)系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的生物電活動，它包含了豐富的神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)和變化的信息,，因而在臨床和神經(jīng)電生理研究中得到了廣泛的應用,。他對缺氧窒息而引起的中樞神經(jīng)損傷實驗中EEG信號和EEG動力學模型中的混沌現(xiàn)象的研究進行了討論，說明動力學模型方法對于研究大腦正常生理和病理狀態(tài)的意義,。他還提出利用EEG信號研究脊椎動物演化模式的設想及用EEG的混沌運動特征來表征動物智能進化的設想,，認為此項研究將對闡述達爾文的進化理論提供新的切入點。
中科院研究生院卓彥研究員在“腦功能成像：可望帶來腦研究重大突破的利器”的專題報告中,，介紹近十年來人腦研究的一些新技術,，如在人類腦功能區(qū)作圖領域中的功能磁共振成像、正電子發(fā)射斷層成像,、高分辨率的腦電圖,、高分辨率的腦磁圖等。這些新技術是研究人的認知和智力的“望遠鏡”和“顯微鏡”,，對于人類自身特有的精神和認知活動的認識,，對新型人工智能信息處理系統(tǒng)的設計，對大腦生理和心理疾病的防治,，對于人類智力的開發(fā)和知識經(jīng)濟的發(fā)展,，正在產(chǎn)生重要作用和影響。
北京大學韓世輝教授在“認知神經(jīng)科學中的復雜性”的專題報告中,，介紹了人的心理在多個層次,、多個層面的復雜活動，如知覺,、注意,、記憶、語言,、情緒,、意識等。由于心理活動與社會活動的密切關系,，近年來還產(chǎn)生了一系列跨學科的研究領域,，如社會認知、神經(jīng)學與政治決策,、神經(jīng)經(jīng)濟學等,。他認為目前對腦成像數(shù)據(jù)的分析方法還是經(jīng)典統(tǒng)計的方法,，沒有完全挖掘出數(shù)據(jù)中關于與大腦認知功能相關的特性。因此應結合數(shù)學,、物理學,、計算機科學、認知科學和認知神經(jīng)科學等多學科,，進一步發(fā)展腦成像數(shù)據(jù)分析方法,，發(fā)覺腦成像數(shù)據(jù)的深刻意義，是一個有重要意義的發(fā)展方向,。
華東理工大學王行愚教授在“腦控及其應用”的專題報告中,，介紹了近年來控制領域的一項重大突破——“腦控系統(tǒng)”的實現(xiàn)和發(fā)展。腦控系統(tǒng),，即基于腦電信號的人機融合控制系統(tǒng),，直接以腦電信號為基礎，通過腦機接口來實現(xiàn)控制,。“腦控”研究涉及神經(jīng)科學,、計算機科學、控制科學和心理學等多學科交叉,。相關研究已經(jīng)開發(fā)出了利用大腦的思維,、通過電子接口來控制各種設施的運動狀態(tài)，并取得預定效果的“腦控技術”,，這項技術在醫(yī)療等多個方面具有重要的應用價值,。
復雜系統(tǒng)研究方法探討
戴汝為院士在“從中醫(yī)的‘四診’談人-機結合的綜合集成法”的中心議題報告中，指出中醫(yī)的“四診”是把握系統(tǒng)整體特性的典型方法,，通過望,、聞、問,、切的感知建立子模式,，再形成與各種病癥對應的模式類——立“象”，這是多維的自下而上的綜合集成過程,。他還介紹了從定性到定量的綜合集成法：將專家群體（各種有關的專家）,、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機技術有機結合起來，把各種學科的科學理論和人的經(jīng)驗知識結合起來,，在解決復雜性問題時發(fā)揮這三者構成的系統(tǒng)的整體優(yōu)勢和綜合優(yōu)勢,。他們以此為依據(jù)建立了以綜合集成為基礎的數(shù)字空間研討廳體系CWME智能系統(tǒng),。該系統(tǒng)及軟件在2003年9月維也納國際應用系統(tǒng)分析研究所的復雜系統(tǒng)建模研討會上引起各國專家的很大關注,。與會專家們認為，對于許多復雜現(xiàn)象,，利用專家群體,、海量數(shù)據(jù)和計算機分析技術相結合的研討廳體系的方法,，可能是比較有效的。
清華大學李衍達院士在“復雜系統(tǒng)的演化與分析”的專題報告中,，對復雜系統(tǒng)研究中的某些一般性規(guī)律提出自己獨特的見解：（1）復雜系統(tǒng)的演化既不是按已有的模式,，也不是按最優(yōu)方式，而是各種因素的組合促成——有偶然性,，按臨近偏好方式,，逐漸形成某一趨勢；（2）系統(tǒng)演化有偏好趨勢,，故演化不是無序的,，系統(tǒng)經(jīng)一段時間的演化形成優(yōu)勢主流方向，形成模式后,，有統(tǒng)計特性,；（3）對新演化的部分，難以預測,，因此實驗探索未知是永恒的,；（4）演化的過程有點像美國司法系統(tǒng)的案例引用，對未遇到過的情況,，以案例引用的方式來處理,。復雜系統(tǒng)的演化可歸納為：案例+偏好→統(tǒng)計特性→模型→預測。
浙江大學朱位秋院士在“關于復雜系統(tǒng)研究的一點想法”的專題報告中,，以對非線性隨機動力學系統(tǒng)的具體研究為例,，指出某些系統(tǒng)雖然很復雜，但也應有一定的規(guī)律可循,，需擺脫傳統(tǒng)思維從新的角度用新的方法去研究,，尋找復雜系統(tǒng)的內在規(guī)律從而建立一定的理論。
北京大學黃琳院士認為,，復雜性科學對我們來說是一個充滿未知的領域,，研究方法上既有還原論，也有綜合論和系統(tǒng)論,，這兩種思想正在經(jīng)歷碰撞并開始出現(xiàn)融合的趨勢,。計算機技術的發(fā)展，以及生物芯片的出現(xiàn)都為這個領域開拓了新的前景,?？梢哉f，我們正處在一個挑戰(zhàn)和機遇并存的時期,。中科院郭雷院士指出,，控制科學與其它學科的不同，在于它的目的是改造世界,，也就是對系統(tǒng)施加干預,。為了對系統(tǒng)進行有效控制,，應該有針對性地建模，針對復雜系統(tǒng)的不同側面,，或者針對不同的目標,，建立不同的模型。這個過程在醫(yī)學中應用廣泛,，因此醫(yī)學與控制科學的協(xié)作很有意義,。
