绪论补充__医学信息学与脑科学

BriefIntroductionofMedicalInformaticsandBrainScience,医学信息学与脑科学介绍,2007年4月17日星期二,医学信息学,现代计算机科学和信息技术的飞速发展已给生物医学领域给予了有力的支持。医学信息学、生物信息学与生物、生理、药理一样，已是二十一世纪从事医药研究和医学临床工作不可缺少的工具之一。医学信息学与生物信息学在国外已经步入成熟期，由此产生崭新的研究成果使生命科学在近年有了飞速的发展，特别是基因工程的突破性进展方面成效显著。各种生物医学信息的提取、处理和管理使医学研究与临床诊断、治疗有了崭新的手段。特别对人类脑计划研究有着重大的影响。如果没有医学信息学的智能决策系统的支持，目前使用的几乎所有的先进设备和技术都是无助的。医学信息学是一门综合性较强的多学科交叉的科学，它的特点是以计算机、信息技术、电子学、物理学、人工智能等结合生物医学医学、分子生物学、数学、工程等学科为一体的学科。,2007年4月17日星期二,医学信息学的概念,医学信息学是一门全新的科学，它利用计算机技术、信息技术和系统分析工具去开发医学信息与生物信息的处理程序、算法以实施医学知识的管理、信息处理和信息过程的控制、实现医学领域的决策支持和医学知识的分析，实现基因与蛋白质科学以及脑信息学的分析研究。医学信息学研究的内容包括理论和实践两部分，它们既基于医疗卫生的知识和经验，来源于医学信息处理、信息传输、利用的实践，又基于分子生物学的基因和蛋白质的分析研究、脑科学信息的研究。医学信息学它涉及医学信息与生物信息的存储、获取和医药信息的利用，它是一个新型的多学科交叉的领域，没有已定义的技能集、教育途径、工作范围描述。,2007年4月17日星期二,医学信息学的起源,起源于计算机科学和信息科学在医学和生命科学领域中的应用。信息学的核心是控制论基础上的信息处理和应用。它包括决策支持系统和各种分析系统。在这个基础上形成了医学信息、生物信息学、医学计算机应用、医学计算机科学的各种应用分支：卫生信息学、护理信息学、口腔信息学；医学信息传输及远程医疗、医学数据处理和储存检索、医学信息处理算法模型、临床信息学、疾病信息模型；医学决策理论与应用、医学知识库基础的人工智能系统、医院管理信息学、药市管理信息学；整合各学科基础上，在生物医学方面形成的新型学科有：计算成像技术，生物信息学数据库和计算生物学、脑机接口技术等，神经信息学与中医信息学。其中生物信息学技术和计算生物学用计算机和信息技术对人基因组计划的实施起到了关键的作用，为分子生物学的发展起到了举足轻重的作用。脑机接口技术是利用计算机技术提取、识别、处理、控制人脑的活动，它将为脑认知和脑的思维活动研究提供有力的支持。神经信息学和中医信息学是人类脑计划的一个重要组成部分。,2007年4月17日星期二,医学信息学的研究领域,数据与信息领域：医学计算机应用教学;信息技术的医学应用研究;医学数据和信息发生与提取研究；医学信息获取与传输、通信。计算机医学数据的处理领域：医学数据处理；数据库管理与开发；远程医学网络的集成。病人数据信息领域：医学信息编码与分类；病案记录；生物医学信号分析；医学成像模型研究；医学图像处理与分析研究。患者为中心的信息系统：医疗保健管理与服务传递；临床业务管理；临床保障支持系统；护理信息系统。基于医学知识库的决策支持：决策支持方法；临床决策支持系统；医学知识获取的策略；临床决策支持预测工具研究。,2007年4月17日星期二,组织机构的信息系统：医药卫生信息系统开发建模；医院临床信息系统的使用；医院信息系统的技术选择和实施；卫生事业信息资源研究。医学信息处理的方法学：逻辑操作模型研究；生物统计方法；生物信号处理方法；图像处理方法；模式识别研究；决策支持建模；基于计算机的病案结构化；临床信息系统的评估方法研究。信息系统方法学：医疗卫生领域的人机接口技术；信息系统的投资与利益；医学信息系统的安全；医疗卫生领域的信息学和远程信息学标准研究；医学信息系统项目管理。生物信息学：基因和蛋白序列数据库；序列比较、分析；结构预测；计算机引物设计；生物芯片信息数据库。医学信息学专业教育：医学信息学的教育和培训；国际范围内的医学信息学的发展方向、技术和问题研究；医学信息学模拟教学系统研究等。,2007年4月17日星期二,基于网络环境应用：远程保健或医疗的传递和实施；远程在线检测系统；远程或网上医院策略和方法；远程数据采集；远程医疗和网上医院的行业标准和医学伦理学；网上医疗的电子商务系统及安全性。全球性医药卫生数据挖掘:数据挖掘模型和算法的研究；分布式数据库的开发与数据挖掘；基于INTERNET的生物医学数据挖掘方法或模型；以疾病为中心的信息模型：各种疾病的信息与控制模型；疾病治疗的信息模型；环境对人体的生理参数作用的信息模型等。脑科学相关:计算机脑机接口的研究；脑认知等神经信息的提取、存储、分析；脑认知信息数据库的建立和分析；特征认知的识别以及脑功能的信息学研究。,2007年4月17日星期二,人类脑计划与神经信息学,人类脑计划与神经信息学的缘起曼哈顿计划、阿波罗登月计划和人类基因组计划是划时代的三大科学工程，它们给整个人类社会带来了深远的影响。人类基因组计划是生物实验结果和信息学的完美结合，人类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生态平衡和生物学研究作出不可估量的贡献。许多科学家认为，在人类基因组计划之后应该是人类蛋白质组计划和人类脑计划。,2007年4月17日星期二,人类脑计划包括神经科学和信息学相互结合的研究，其核心内容是神经信息学。脑科学和信息学是当今国际科学研究的两大热点，神经信息学是这两大学科相结合的新兴的边缘学科。其目标是利用现代化信息工具，使神经科学家和信息学家能够将脑的结构和功能研究结果联系起来，建立神经信息学数据库和有关神经系统所有数据的全球知识管理系统，将不同层次有关脑的研究数据进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、结构和神经网络图谱，从而解决目前神经科学所面临的海量数据问题，从基因到行为各个水平加深对大脑的理解。,2007年4月17日星期二,人脑的复杂性远远超出了我们目前的认识能力，传统的细胞生物学等的实验室研究对于解决人脑对复杂信息的获取、处理与加工及高级认知功能的机制非常有限。神经信息学工具和数据库的应用，使得我们可能从有限的实验数据中找出神经信息获取、处理和整合的规律和法则，提出在各种刺激条件下，脑内信息加工的数学模型的实验假设和用计算机模拟脑内神经信息网络。可以说，人类脑计划近20年的发展历程处处将与神经信息学紧密相连。,2007年4月17日星期二,脑科学研究的意义,由于人脑的结构和功能极其复杂，需要从分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合，才有可能揭示其奥秘。为此，世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究，美国把九十年代最后十年定为“脑的十年”，欧洲确定了“脑的二十年研究计划”，日本将21世纪视为“脑科学世纪”，脑科学的研究热潮遍布全球。科学家们提出了“认识脑、保护脑、创造脑”三大目标，人们相信脑科学的研究成果将为人类更好地了解自己、保护自己、防治脑疾病和开发大脑潜能等方面做出重要的贡献，“了解大脑、认识自身”是21世纪的科学面临的最大挑战。,2007年4月17日星期二,人类脑计划,人类脑计划概述人类脑计划的基本概念始于20世纪80年代早期。在美国国防部资助下，美国国立卫生研究院（NIH）与美国国家自然科学基金会（NSF）的神经科学家、计算机科学家与预研项目的负责人参加会议，集中讨论了“利用新的计算机技术建立脑的数据库或模型”这个议题。1992年成立了“人类脑计划”联邦协调委员会，1993年发布了“人类脑计划：第一期可行性研究”的第一个项目。1997年人类脑计划在美国正式启动。2001年10月，我国科学家赴瑞典参加了人类脑计划的第四次工作会议，成为参加此计划的第20个成员国。,2007年4月17日星期二,人类脑计划的主要研究内容和研究方法,脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，人脑内有神经细胞上千亿，它们以超过1014个神经突触互相联结，组成极其复杂的大脑神经网络，是接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令产生行为的指挥部。人脑是极为精巧和完善的信息处理系统，是人体内外环境信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。人脑的结构和功能极其复杂，需要从不同的层次进行研究，对神经网络和全脑功能的研究成为近几年神经信息学研究的重点。,2007年4月17日星期二,目前大脑神经网络的研究还仅限于对个别或局部的重要的神经网络，还没有全面系统的人脑研究计划。要深入了解脑的功能需要像人类基因组计划那样，首先从启动人类神经组计划入手，对人脑全部1000亿个神经元及其组成的神经网络结构进行全面的计测，建立系统完整的神经数据库。核心是神经信息学研究。,2007年4月17日星期二,神经信息学的研究方法,神经与生理信息检测神经信息包括微观神经电生理信息:离子通道水平、细胞水平和细胞群水平、宏观电生理信息（脑电（磁）、心电（磁）、阻抗等）以及与神经活动相关的宏观代谢信息:血氧、血糖、新陈代谢、血压、体温等的计量测定。一般以脑电为基础，结合微观神经电生理、单细胞电位、膜片钳技术和多参数生理信息采集的分析，在此基础上进一步向离子通道水平、基因水平拓展，并结合神经活动代谢功能（fMRI、PET等）信息进行综合研究，形成系统的神经信息研究体系。,2007年4月17日星期二,脑功能成像技术是20世纪80年代出现的成像技术，主要包括正电子发射断层成像（PET）、单光子发射断层成像（SPECT）、功能核磁共振成像（fMRI）、核磁共振波谱脑磁图（MEG）、光学成像和脑电图（包括诱发电位和脑电地形图）等。与结构成像不同，功能成像所得到的是反映机体功能的信息。,脑功能成像技术,2007年4月17日星期二,从功能成像所得到的信息来看，PET、SPECT和fMRI所得到的是反映脑功能的三维断层图像；脑磁图和脑电图所得到的是反映脑电和脑磁信号变化规律的时间谱；光学成像所得到的是局部大脑皮层表面的二维图像，所反映的是大脑皮层对光的吸收、反射或散射等特性。脑功能成像的数据处理是指PET、PECT和fMRI等三维断层功能图像的处理，即如何从这些图像中获得所需的功能信息。,2007年4月17日星期二,神经信息学电子网络,人类脑计划的研究目的就是利用神经信息学工具和电子网络进行全球性科研协作，最终建立起有关所有神经系统知识的管理系统。目前，欧美工作组的成员已建立了各自的神经信息学电子网络工作平台，并且正在制定统一的数据格式和工作指南。建立神经信息学电子网络主要用于为神经信息学工作人员提供信息采集、加工、整理的网上合作平台。,2007年4月17日星期二,神经信息学电子网络建设是一项系统工程，必须以一定的理论为基础。包括人工智能、复杂科学和信息的不确定性、不对称性研究等。信息收集、加工、整理的根本目的在于从网络海量信息中获取必要的知识。将网络中无序的、散在的神经科学领域信息和数据转换为有序地、系统的神经科学知识是一个高度智能化的复杂的知识挖掘过程。,2007年4月17日星期二,当前主要研究内容：1.脑电的源定位和信息处理新技术研究2.ERP+fMRI+PET的模型与方法研究3.知觉信息的处理与神经网络控制的机制4.学习与记忆过程的信息处理与脑认知动力学和5.神经电生理与神经芯片研究6.返回抑制与碰撞检测的认知神经心理学研究7.神经系统退行性疾病依据8.脑疾病的动物模型与预测控制技术研究9.失眠与睡眠的机理、及药物与信息调控技术研究10.计算机主动视觉相关问题的原理性研究11.脑与神经信息的分子机制研究12.对神经网络和全脑功能的研究成为近几年神经信息学研究的重点。,2007年4月17日星期二,海量数据处理,1970年至2000年的30年间，美国神经科学学会的会员人数增长了30倍，2000年达到28，000人左右，每年年会的论文增长了近100倍，2000年已达到15，000篇左右，遍布神经科学研究的各个领域。研究包括神经解剖、神经生理、神经病理、神经生化、神经免疫、神经电生理、神经心理等，已经积累了大量动物脑和人脑的实验数据和研究结果。,2007年4月17日星期二,近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘，基因芯片技术在每秒钟就可以得到大量的实验数据。脑功能成像（fMRI、PET等）的应用使我们能够从活体和整体水平来研究脑功能，可以在无创伤条件下了解到人的思维、行为活动时脑的功能活动。这些新方法、新技术极大增强了我们从微观与宏观两个水平进行脑研究的能力，同时也产生了海量的实验数据。怎样全面准确利用这些信息是继续解决的问题。,2007年4月17日星期二,神经信息学的提出,面对海量信息，计算机和信息技术的飞速发展为我们提供了解决方案，信息工具的应用为我们解决这一问题创造了条件。所以，建立全球神经信息数据库和神经信息电子网络，已经迫在眉睫。神经科学家和信息学家都在呼吁，应加强神经科学和信息学的合作和相互渗透，采用一种新的研究模式：实验数据数学理论计算机模拟和预测生物学实验验证数学模型与验证后的理论,2007年4月17日星期二,新的研究方法可加快脑的研究进程。神经科学家和信息学家希望利用现代化的信息工具建立神经信息学数据库和有关神经系统所有数据的全球知识管理系统，将有关脑研究的“海量”数据进行检索、比较、分析、整合、建模和仿真，绘制出脑功能、结构和神经网络图谱，从基因到行为各个层次，加深人类对大脑的理解，最终实现认识脑、保护脑和创造脑。,2007年4月17日星期二,研究发展与现状,1997年人类脑计划在美国正式启动美国20多家著名的大学和研究所参加了这个研究计划。50多位神经信息学的课题负责人得到该项目的基金资助。充分利用神经科学和信息科学的优势条件进行研究，相互间建立合作关系，利用网络互通信息，运用数据库进行资源共享。,2007年4月17日星期二,1996年在巴黎经济合作发展组织（OECD）批准建立以美国为首的神经信息学工作组，有美国、英国、德国、法国、瑞典、挪威、瑞士、澳大利亚、日本等19个国家，欧洲委员会也作为正式成员参加。其目的是组织和协调全世界神经科学和信息学家共同研究脑、开发脑、保护脑和创造脑。根据规定，成员国之间可利用电子网络寻求研究协作伙伴，进行数据交换和科研协作，免费使用神经信息学数据库和信息工具，承担科研任务，同享科研成果和脑研究资源。,2007年4月17日星期二,在美国人类脑计划的资助下，美国各相关科研机构已初步汇集和建立了各种神经信息数据库和信息处理工具，并正与超级计算机中心、欧洲联盟等联网合作，建立全球神经信息工作平台，该系统有数据质量控制的标准和规定，也有一系列数据检索、分析、整合、建模等工具。,2007年4月17日星期二,目前人类脑计划开展的国际大合作，使用通用数据库，统一格式、统一标准，将脑的结构和功能、微观和宏观的研究结果联系起来，绘制出健康和疾病状态下脑的功能、结构、神经网络、细胞和分子生物学的“图谱”。成员国的科学家们可以在数据库中进行搜索、比较、分析和整合，并进行数学模拟和仿真计算，这将十分有利于理论假设的形成和研究者之间的电子合作，也可以避免不必要的重复性研究。,2007年4月17日星期二,我国的脑科学研究,我国专家计划利用我们人类脑资源丰富和计算机信息学研究方面的一定优势，在具有中国特色的传统医学（如针刺等）、汉语认知与特殊感知觉的神经信息学研究等领域深入开展工作。将具有中国特色的人类脑计划和神经信息学研究项目加入全球人类脑计划之中，建立中国独特的神经信息平台、电子网络和信息数据库，才能在合作中不受制于人，更好地和国外科学家协作，共享科研成果和国际资源。,2007年4月17日星期二,2001年9月我国成立了第一个神经信息中心，随后浙江大学也成立了神经信息学中心。现阶段我国专家正开展有自己特色的研究工作，如利用针刺、汉语言等进行脑功能成像，来研究信息在脑内的获取、处理、整合的图谱。开展中国特色的人类脑计划与神经信息学研究，无疑将大大加深人类对大脑的认识和自身的认识。,2007年4月17日星期二,可以预料，像人类基因组计划一样，通过国内本领域的专家齐心协力、联合攻关，以开放的新模式吸纳社会资源，从研究、产业等几个方面同时启动，必将会极大推动人类对自身的认识，造福全人类。,2007年4月17日星期二,汉语认知脑功能成像数据库的建立,汉语认知数据库是神经学与信息科学相结合的一个实际实验项目，其目标是利用现代化信息工具，将不同层次有关脑的研究数据进行分析、处理、整合与建模；建立汉语认知数据库有助于人类从整体系统水平研究脑、认识脑、保护脑和开发脑。,2007年4月17日星期二,中医神经信息工程的启动,主要研究方向：1）建立中医研究的神经信息学工作平台2）中医脑功能及相关证候的神经信息学研究3）针刺作用机制的神经信息学研究4）中药作用原理的神经信息学研究5）*经络实质与脑功能研究6）*心脑通讯机制研究7）*复杂脑网络研究,2007年4月17日星期二,神经信息学的定义,神经信息学是研究神经系统信息的载体形式,神经信息的产生、传输、加工、编码、存储与提取机理,以及建立神经数据库系统的科学。它是脑科学,信息科学和计算机科学相互交叉的边缘学科。神经信息学可分为分子神经信息学和系统神经信息学两个层次。神经信息编码可分为神经元脉冲序列的数字编码和突触联结权重编码两种编码方式.,脑科学相关资源简介,文化、认知与大脑（English）/richarad/lcb/简介：该网页的特征是集中研究学习能力、认知理论及神经系统科学。网页中包括该研究方向的文摘、评论、发展前景，并提供相关网站的链接，及时更新附属、协作机构的信息。,2007年4月17日星期二,脑图集（English）/AANLIB/home.html简介：该网站提供了大脑的结构图，内容涉及各种脑病。并提供学术研究、脑科学方面的网站。,2007年4月17日星期二,哺乳类大脑图集（English）/简介：该网站全面收集了有关哺乳类大脑的信息，可以看到和下载不同种类的哺乳类的图片，包括人类。,2007年4月17日星期二,21世纪主动学习机构网站(English)/简介：该机构由英国和美国的商业组织于1995年建立，为了研究在不同学科人们的学习及学习过程，涉及世界上不同的大学、研究机构和商业组织。在英国和美国向许多组织和团体提供培训计划。,2007年4月17日星期二,D