[转帖]生物与医学中的复杂性问题

王不留行

生物与医学中的复杂性问题
http://www.100md.com 2005年10月10日 中国科技信息
     二十世纪末，随着分子生物学的迅猛发展，与人类健康密切相关的分子生物学数据大量产生。同时，医学与生物学日益密切结合，构成以健康为主要目标的生命科学的崭新发展世态。新时期的人体健康科学既关注生物化学作用的分子信息，也注重人体作为一个整体的系统特征，并开始注意研究在社会自然环境中的人，这种科学观正在将经典科学还原论与系统论或综合论结合起来。生物信息技术和分析方法的发展和不断完善，为全面理解人体系统，全面推进健康科学的发展提供了历史性的契机。
    中医学独特的思维方法和对复杂系统整体状态的把握以及中医的有效性等方面引起了与会的各个领域专家的广泛兴趣。医学专家和控制专家认为，现代医学和控制科学研究在许多基本的层面上存在共性：如对系统的建模与系统运作机理的研究，用控制科学的理论方法对系统的演化加以干预并使得系统朝着预定目标演化等，因此两大领域的合作研究具有广阔的前景。
    在生物医学研究中由于因素多、数据多、信息量大存在客观的复杂性，但同时因为缺乏对系统本质规律的把握、对系统重要因素的提炼，复杂性也具有主观的因素；开展复杂性研究，既要发展处理海量数据的工具，也要不断提炼复杂现象和复杂事物的本质规律，找出系统的共性；中医学对人体内部的相互作用以及人体与环境的相互作用提出了众多的命题，为现代医学研究准备了丰富的素材，但对中医的理论体系的认识必须运用物理学、生物学、数学、控制论、系统论等学科的最新知识；中医药是中华文化的宝贵财富，应该成为中华民族立于世界之林的支柱产业之一，要将中医的发展放到国家科研发展战略高度。
    日前，在北京召开了主题为“生物与医学中的复杂性问题”的香山科学会议第255次学术讨论会。北京大学第三医院韩启德院士、中科院自动化所戴汝为院士、北京大学的黄琳院士和佘振苏教授担任执行主席。来自生物物理学、医学、物理学、力学、心理学、控制等不同领域的37位专家参加了讨论会。会议中心议题为基础医学中的复杂性问题、生物系统中复杂性问题、脑与认知中的复杂性问题、复杂系统研究方法探讨等。
    韩启德院士在题为“生命科学与医学中的复杂性”的主题评述报告中，就生命体复杂性、医学复杂性、走出现代医学困境等问题进行了论述。关于生命体复杂性，认为生命体组成成分不是简单的堆积，而是彼此间有广泛的相互作用，越是高级生命作用越广泛；组成成分之间的相互作用不是简单直线性关系，而是交错编织成网络，网络使生命体复杂性具有层次性特征；生命体存在于多因素、多变化的环境中，随时要接受外界的刺激和干扰，是一种远离平衡态的开发系统。关于医学复杂性，认为生命体的多样性、复杂性决定了医学本身的复杂性；疾病是复杂的，不仅生命体本身病理过程复杂，而且心理、社会、环境等因素都会影响病理过程；许多复杂性疾病，如心血管疾病、癌症、艾滋病等皆是生命体多层次、多层面因素作用的结果。关于走出现代医学困境，指出在还原论指导下对生命和疾病的认识是局部的、分离的，仍停留在分析和描述的水平上；需要在研究方法和观念上有大的突破，需要各学科间相互协作，共同努力应对面临的新挑战。他还介绍了2003年美国国立卫生研究院(NIH)推出的“路线图计划”，强调探索发现生命现象的新途径。
    中科院理论物理所郝柏林院士在题为“粗粒化描述与生物学符号序列的复杂性”的主题评述报告中，指出生物学符号序列包括记载生物遗传信息的DNA序列和生物基本构成的蛋白质序列，是当代生物信息学研究的核心对象。我们对自然界只能进行各个层次的粗粒化描述，而粗粒化描述不可避免地导致符号和符号序列(包括自然语言)，因此对符号序列的复杂性分析可以对我们认识各种复杂系统有所帮助。他还介绍了研究DNA序列的K串组分分析方法，并从自己多年研究的经验中，提炼出研究这些复杂符号序列的基本思路和方法，引起与会者广泛关注和从中受到启发，为深入探讨复杂系统的一般性方法提供了具体的指导。他还强调应该关注具体的复杂现象，关注复杂现象中的具体科学问题。
    基础医学中的复杂性问题
    北京大学柯杨教授在基础医学中的复杂性的中心议题报告中，通过肿瘤研究课题组所从事的肿瘤相关新基因的功能研究、肿瘤的人群遗传易感性研究、肿瘤病人免疫功能指标确定研究等，分析了肿瘤疾病的复杂性。如同一种分子具备多种功能，不同的分子行使同样功能，同样的分子、通路、网络、发挥功能的时空差别，多种类环境因素多基因相互作用，性别、年龄和环境都对“正常值”产生影响等。这些讨论提出了基础医学研究中正面临的一些具体问题，如面对个体间(年龄、性别)的巨大差异，如何确定免疫指标的正常范围等。
    朱宗涵研究员在“医学科学中的系统复杂性研究”的专题报告中，说明许多复杂性疾病(如癌症)是多个因素引起的全身系统的功能紊乱。如果在这些疾病的治疗过程中过分关注身体局部状态的调整，而忽视了整个身体状况的改善会引起一系列不良后果，因此对这些疾病的认识和治疗急需引入系统化思维。他还提出了一系列医学复杂性问题研究的新思路，如人体复杂系统表现为三种反应方式——适应，代偿和失代偿，这分别体现了人体健康的三种状态——健康，亚健康和疾病。他进一步提出了医学科学中的系统复杂性研究提纲，呼吁探讨生命过程中信息作用的机制和原理，探讨生命信息的存在形式和动力学规律，探讨生命信息和环境的关系等，提出了有关生命科学中生命信息研究的新领域，即生命信息动力学。
    中医研究院刘德鳞教授在“复杂系统的中医学思考”专题报告中，介绍了中医学处理人体系统中应用的思维观和方法论，如系统结构的虚化、系统运动的模化、系统状态的约化，和系统模型的实化(可检验化)等。指出中医研究人体复杂性时充分考虑到不同的目标，不同的问题，选择适当的数据。认为从中医研究中可以提炼出研究复杂系统的一个重要思路是“有限地还原，有效地综合”。他还提出了多学科合作研究脉学的建议，此项研究需要几个学科如血管的研究、流体力学研究、神经科学研究领域学者的合作。
    国际著名的数学家丘成桐先生特地向会议发来了有关“面部望诊与计算机几何图形分析”的书面报告。他认为中医的发展需要吸收其它学科的先进知识和方法，建议应用波动光学方法实时获取人脸几何数据，利用微分几何方法对人脸表情的特征参数进行提取和分析，来实现中医的“计算机模拟望诊”。
    生物系统中复杂性问题
    生物物理所陈润生研究员在“基因组的复杂性”中心议题报告中，介绍了生物基因研究的一个新方向，对DNA非编码区的研究。生物体的复杂结构和功能不仅仅是由基因决定的，也是由基因组中大量的非编码信息和非编码基因决定的。他们研究团队建立了国际上最新的非编码基因数据库，发展了相应的软件及检索系统，其中突出贡献是建立了非编码基因的分类系统。他以具体研究为例，说明后基因组时代对功能理解的本质发生了重要变化，即从“序列→结构→功能”到“相互作用→网络→功能”。因此生物体的复杂结构和功能不仅仅是由基因决定的，也不仅仅是由基因组中大量的非编码信息决定的，而是由这些元素在生物体各个层次上复杂、动态的相互作用决定的。
    北京大学佘振苏教授在“生物基因组复杂结构信息及其演化探索”专题发言中，对生物复杂性的特点进行了总结和概括：生物结构具有多尺度跳跃性；生物运动具有多时间尺度性；生物多尺度运动之间似乎存在许多未知的相关，生物整体存在特殊的自组织性。研究把握生物系统的自组织性，是生物医学研究中“纲举目张”的思路。他还介绍了对生物基因翻译编码共性的提炼中发展的原核基因结构的MED模型及原核基因预测的MED系统。说明MED方法不仅预测了DNA序列中的基因，而且还预测了一系列与物种翻译转录相关的信息，为研究物种进化提供了有效的工具。
    来自美国Affmetrix公司的黄静博士在“使用高密度DNA生物芯片在全基因组水平上研究染色体变异”的专题报告中，指出很多实体性肿瘤中观察到染色体数量的变化，在血癌中常观察到染色体易位，染色体数量的变化还常和发育异常及智障相关联。利用高密度DNA生物芯片的优势，可以同时得到基因型及染色体数量的信息，是具有广泛应用前景的生物分析技术。
    脑与认知中的复杂性问题
    大连理工大学王兴元教授在“EEG复杂性研究中的混沌分析方法”的中心议题报告中，指出EEG信号是中枢神经系统自发产生的生物电活动，它包含了丰富的神经系统状态和变化的信息，因而在临床和神经电生理研究中得到了广泛的应用。他对缺氧窒息而引起的中枢神经损伤实验中EEG信号和EEG动力学模型中的混沌现象的研究进行了讨论，说明动力学模型方法对于研究大脑正常生理和病理状态的意义。他还提出利用EEG信号研究脊椎动物演化模式的设想及用EEG的混沌运动特征来表征动物智能进化的设想，认为此项研究将对阐述达尔文的进化理论提供新的切入点。
    中科院研究生院卓彦研究员在“脑功能成像：可望带来脑研究重大突破的利器”的专题报告中，介绍近十年来人脑研究的一些新技术，如在人类脑功能区作图领域中的功能磁共振成像、正电子发射断层成像、高分辨率的脑电图、高分辨率的脑磁图等。这些新技术是研究人的认知和智力的“望远镜”和“显微镜”，对于人类自身特有的精神和认知活动的认识，对新型人工智能信息处理系统的设计，对大脑生理和心理疾病的防治，对于人类智力的开发和知识经济的发展，正在产生重要作用和影响。
    北京大学韩世辉教授在“认知神经科学中的复杂性”的专题报告中，介绍了人的心理在多个层次、多个层面的复杂活动，如知觉、注意、记忆、语言、情绪、意识等。由于心理活动与社会活动的密切关系，近年来还产生了一系列跨学科的研究领域，如社会认知、神经学与政治决策、神经经济学等。他认为目前对脑成像数据的分析方法还是经典统计的方法，没有完全挖掘出数据中关于与大脑认知功能相关的特性。因此应结合数学、物理学、计算机科学、认知科学和认知神经科学等多学科，进一步发展脑成像数据分析方法，发觉脑成像数据的深刻意义，是一个有重要意义的发展方向。
    华东理工大学王行愚教授在“脑控及其应用”的专题报告中，介绍了近年来控制领域的一项重大突破——“脑控系统”的实现和发展。脑控系统，即基于脑电信号的人机融合控制系统，直接以脑电信号为基础，通过脑机接口来实现控制。“脑控”研究涉及神经科学、计算机科学、控制科学和心理学等多学科交叉。相关研究已经开发出了利用大脑的思维、通过电子接口来控制各种设施的运动状态，并取得预定效果的“脑控技术”，这项技术在医疗等多个方面具有重要的应用价值。
    复杂系统研究方法探讨
    戴汝为院士在“从中医的‘四诊’谈人-机结合的综合集成法”的中心议题报告中，指出中医的“四诊”是把握系统整体特性的典型方法，通过望、闻、问、切的感知建立子模式，再形成与各种病症对应的模式类——立“象”，这是多维的自下而上的综合集成过程。他还介绍了从定性到定量的综合集成法：将专家群体(各种有关的专家)、数据和各种信息与计算机技术有机结合起来，把各种学科的科学理论和人的经验知识结合起来，在解决复杂性问题时发挥这三者构成的系统的整体优势和综合优势。他们以此为依据建立了以综合集成为基础的数字空间研讨厅体系CWME智能系统。该系统及软件在2003年9月维也纳国际应用系统分析研究所的复杂系统建模研讨会上引起各国专家的很大关注。与会专家们认为，对于许多复杂现象，利用专家群体、海量数据和计算机分析技术相结合的研讨厅体系的方法，可能是比较有效的。
    清华大学李衍达院士在“复杂系统的演化与分析”的专题报告中，对复杂系统研究中的某些一般性规律提出自己独特的见解：(1)复杂系统的演化既不是按已有的模式，也不是按最优方式，而是各种因素的组合促成——有偶然性，按临近偏好方式，逐渐形成某一趋势；(2)系统演化有偏好趋势，故演化不是无序的，系统经一段时间的演化形成优势主流方向，形成模式后，有统计特性；(3)对新演化的部分，难以预测，因此实验探索未知是永恒的；(4)演化的过程有点像美国司法系统的案例引用，对未遇到过的情况，以案例引用的方式来处理。复杂系统的演化可归纳为：案例+偏好→统计特性→模型→预测。
    浙江大学朱位秋院士在“关于复杂系统研究的一点想法”的专题报告中，以对非线性随机动力学系统的具体研究为例，指出某些系统虽然很复杂，但也应有一定的规律可循，需摆脱传统思维从新的角度用新的方法去研究，寻找复杂系统的内在规律从而建立一定的理论。
    北京大学黄琳院士认为，复杂性科学对我们来说是一个充满未知的领域，研究方法上既有还原论，也有综合论和系统论，这两种思想正在经历碰撞并开始出现融合的趋势。计算机技术的发展，以及生物芯片的出现都为这个领域开拓了新的前景。可以说，我们正处在一个挑战和机遇并存的时期。中科院郭雷院士指出，控制科学与其它学科的不同，在于它的目的是改造世界，也就是对系统施加干预。为了对系统进行有效控制，应该有针对性地建模，针对复杂系统的不同侧面，或者针对不同的目标，建立不同的模型。这个过程在医学中应用广泛，因此医学与控制科学的协作很有意义。