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唐世明:多“智”多“能”土博士

时间:2004-09-11 17:04来源:本站原创 作者:admin 阅读:

唐世明热爱科学,也与《科学》有缘:作为第一作者,在短短不到3年时间里,他在国际权威学术刊物《科学》上已连续发表两篇关于果蝇“智能”的研究成果。
唐世明现年33岁,学士、硕士、博士学位均在国内获得,从未出国深造。2004年8月13日,就在他第二篇论文发表的当天,中科院院长路甬祥致信祝贺说,这充分表明“土生土长的博士也可做出一流成果”。
唐世明攻读学士、硕士、博士学位期间,专业均为工科,只是1998年毕业工作后,才转向研究生命科学,他最大的科学兴趣就是“人工智能”研究。这位“土生土长”的博士是如何成为多“智”多“能”的科学家的?
发现果蝇能“抉择”行为
1998年初,唐世明即将在北京航空航天大学获得博士学位,他看到一本关于神经科学的专著,书中对人工智能研究有诸多精彩的论述,作者是中科院生物物理所的郭爱克先生。他对郭爱克先生的研究工作产生了兴趣,主动联系毕业后到郭爱克领导的实验室工作。
郭爱克的研究方向是脑的学习和记忆等,在果蝇的学习和记忆方面发表过多篇SCI论文,他认为,果蝇可以实现梦幻般的遗传操作,具有较为复杂的学习行为,以果蝇为实验模型,从基因——脑——行为的结合上,在分子、细胞和行为等多个层面上,能够从神经整合的角度帮助人们理
解脑与智力的关系。
在生命科学发展的历史长河中,果蝇扮演了非常重要的角色,是十分活跃的模型生物。无论是遗传学、发育的基因调控、各类神经疾病、学习记忆等研究,都有果蝇研究的一份独特贡献。各国科学家们致力果蝇研究的同时,果蝇也作了相应“回报”,“培养”出了数位诺贝尔生理学或医
学奖得主。
唐世明审时度势,决心用自己掌握的新技术方法及在信息科学方面的学科交叉优势,致力于在源头上开展具有创新的研究工作,探索较学习记忆更高级的、类似认知的行为,其中,果蝇不失为一个较好的研究对象。
1999年,唐世明利用信息科学的研究思路,设计了一种新实验范式,将颜色和形状两种正交的视觉信息,同时呈现给果蝇,他观察发现了这样的一个有趣现象:果蝇可以同时获得以上两种信息并且可以分开来使用。当这两种信息提供的线索相互矛盾时,正常情况下的那些果蝇会按线
索强度对比判断利弊,作出对自己有利的选择,而用基因突变或化学方法使蘑菇体缺损的那些果蝇,则经常会产生判断的失误,不能作出有利选择。
唐世明和郭爱克合作开展这项实验,说通俗一点,就是为果蝇设计了一个巧妙的“飞行游戏”,果蝇必须在前方物体的颜色和形状之间做出判断,就像飞行员要作正确的评估或计算,最后决定是“绕开”还是“飞向”目标。他们发现,根据物体颜色强度对比的变化,果蝇会“见机行事”
,做出不失聪明的抉择。
蘑菇体是昆虫脑中一个独特而美丽的结构。1850年,蘑菇体的发现者曾提出这一结构可能赋予昆虫某种“智能控制”能力,和嗅觉学习记忆有关,为了验证对果蝇是否如此,唐世明“残忍”地对某些果蝇进行必要的处置,用基因突变或化学方法使之脑内蘑菇体缺损。变得疯疯癫癫的
它们果然在飞行中一反常态,面对前方的目标反应失当,难以自制。
经过较长时间的反复实验和数据整理,唐世明作为第一作者,2001年将这一研究成果发表于《科学》杂志。该研究工作完全在中国本土完成,著名旅美学者饶毅认为:“这项工作既是世界水平的优秀研究,也是中国20年来生命科学实验设计最漂亮的工作之一,具有开创一个新领域
的可能。”
“正确灵活地应用知识”
“‘智能’的精华所在,是最终能否正确灵活地应用知识,而绝非仅仅是存储知识,要应付复杂多变的自然环境,必须依靠如注意、特征分解、决策、概念泛化、视觉不变性等基本认知活动参与。”谈及最初为何要选择果蝇做研究对象,唐世明曾这样精辟地论述。
简而言之,唐世明发表在《科学》杂志的这篇论文证明了果蝇能辨形观色、见机行事,甚至有“吃一堑,长一智”的本领。
作为低等动物的果蝇,尚且具备高等动物“趋利避害”的某些特征,有判断、抉择的不低“智商”,何况作为灵长类的人,何况“智人”、“能人”的唐世明!
1999年,郭爱克受聘为上海神经科学研究所研究员,因为开展果蝇研究的飞行模拟器系统需要从德国引进,本身就是郭爱克研究组成员、具备设备仪器工程设计能力的唐世明,自然而然成为他的得力助手,跟着郭爱克去上海工作了两年时间。
这或许也是唐世明成功的契机之一。
这种“飞行模拟器系统”为果蝇量身定做,只有一台家用微波炉大小,但因其复杂的结构和精密的制造,过去一直为德国所垄断。唐世明在引进和使用该系统的过程中,发现德国的该仪器有维护困难、容易损坏等缺点。该系统的关键部位是粘果蝇的悬丝,相当于果蝇的“驾驶舱”,果蝇
在“飞行”过程中不停扭动,实验员经常要对果蝇实施操作,所以悬丝特别容易变形或者扭断。
唐世明过去学习的机电一体化自动控制知识,在这里派上了极大用场。他认为德国的仪器工作原理其实也很简单,我国不仅可以自己设计制造,而且可以在性能上加以改进,提高仪器使用寿命。
2000年,唐世明研制成功新型果蝇飞行模拟器系统,采用创新的机械结构和电路设计,克服了原仪器的悬丝极易变形或扭断等诸多弊端,还将其机芯中原来分开的永磁铁和检测线圈合而为一,不仅大大缩小了仪器体积,而且因为其简约不容易受损。
唐世明研制的新型果蝇飞行模拟器系统,不仅成功用于“果蝇面对矛盾的可视信号的行为选择”研究的后期实验,而且打破该研究领域德国对该项技术的垄断,目前已有多套该型仪器在中科院生物物理所、神经科学研究所使用。
知识必须创新,知识也必须应用,没有应用的“知识”,小到一张数字光盘,大到一座图书馆,虽然可以存储海量的“知识”,但本身却不能创造出新的财富。
唐世明跨向生命研究领域首战告捷,成功也就在于他“正确灵活地应用知识”、“而绝非仅仅是存储知识”。
发现果蝇能“过目不忘”
2003年8月13日,《果蝇的视觉模式识别具有视网膜位置不变性》重大研究成果,发表于《科学》杂志,唐世明也是第一作者。
唐世明使用自行研制的果蝇飞行模拟器,观察检测果蝇的视觉模式识别能力。果蝇的身体被固定在一个力矩测量装置上,果蝇虽然不能飞走,但果蝇所看到的视觉目标可以受飞行扭矩的控制移动,就像果蝇在不同的图形间飞来飞去一样。
这是个相当有趣的实验:当果蝇试图转向某个图形时,身体会受到激光发热的“惩罚”,犹如古代的囚犯遭受火刑。唐世明注意到:果蝇经过一段时间训练,会较多地转向另一个安全的、不会遭受火刑“惩罚”的图形。
过去人们认为果蝇“头脑”简单,遇到与先前同样形状的目标,或者同样形状的物体位置稍微改变一点,它就辨认不出来,俗话干脆称之为“没头的苍蝇”。唐世明的研究成果修正了人们的“偏见”。实际上,果蝇的视觉具有位置不变性,当物体出现在视野的不同位置,或者物体按比例
缩放、物体旋转一定角度后,果蝇仍然能够识别这一物体。换句话说,果蝇具备高等动物的识别特征,具有复杂的视觉信息处理机制,对物体(图形)同样能够看得清清楚楚、记得明明白白。
“前事不忘,后事之师”,本是对人类而言的,这项科学研究表明,与人类智商差别极大的低等动物的果蝇,同样有着过目不忘、能够吸取经验教训的本领。
深入研究动物的视觉不变性,是人们得以更好地理解脑之智慧的关键和切入点。外国专家评论这一研究成果证明,“仅具有简单神经系统的果蝇,可能使用了与高等动物类似的视觉信息处理机制,比如在灵长类动物上发现的重要的高级知觉机制”。
这一发现,使得昆虫视觉与脊椎动物视觉在认知层面上统一起来,是昆虫视觉神经机制研究取得的重大突破,对视觉神经机制研究,以及在进化论哲学认识上都有重要启示。
唐世明的这一研究成果,合作者是德国的教授海森堡和实验员沃尔夫,以及自己的妻子、中科院生物物理所实验员李书平。
“我选择到国外不合算”
记者抓住机会问唐世明:你在北京航空航天大学学习时就很优秀,屡获高等级的奖励,多年来难道没有到国外深造的想法?
“我选择读研究生就到国外,那岂不是太不合算了!”唐世明快人快语:“虽然我上大学本科时,就拥有‘挑战杯’的两个一等奖、一个二等奖,念硕士时就带队到日本参加‘创意对抗赛’,取得好成绩,这些科研实践接连不断,一浪接着一浪,让我应接不暇,既能满足我发明创造的好
奇心,对我成长也是非常好的锻炼,为啥还要到国外去读研究生呢?”
唐世明说得在情在理,没有任何虚情假意,记者接着问:“你早年就有那么多的奖励,名声在外,有没有境外大学主动邀请你去深造?”
“早年香港城市大学的一位系主任曾对我提起过,但因为是机器人专业,我没有为此动心。读硕士研究生时,导师张明廉曾经想介绍我到加拿大多伦多大学读博士,但考虑到联系的那个大学,专业也是机器人,我也就打消了念头。因为我的志趣在‘人工智能’,只有‘人工智能’专业比
较合适我,那我干吗非得要为出国而出国?纯粹为了要张‘洋’文凭而出国,对我很不合算。”
2001年12月,唐世明受聘为生物物理所副研究员。从2002年起,唐世明得到中国科学院创新经费支持,建立电生理实验室,采用闭式呼吸回路、气体麻醉、血氧监测等先进的生命维持和监控系统。2004年3月,唐世明被聘为研究员、研究组长。
记者刨根问底:虽然你在国内的工作称得上“春风得意”,但你刚毕业时没有到国外做博士后或工作的打算?
唐世明解释说,同样也是因为他在“人工智能”研究方面执著的追求使然。因为即便在国外,能够将生命科学和信息技术、工程制造三者结合得很好,这样的科研机构也很难寻找,可遇而不可求。
“作为美籍华裔著名科学家,中科院上海神经科学研究所所长蒲慕明也很有眼力,我搞果蝇视觉识别不变性研究,他对我初期的想法也非常认可,在交谈时给与我极大的鼓励。”唐世明说。
事实证明唐世明的思路是对的。将写好的论文投给《科学》杂志后,高度评价的评审专家请他们对个别语法和文字描述作了些修饰,很快就一次性地通过,杂志以最快的速度在三个月后就予以刊发。
“重要的是,我现在工作的生物物理研究所,给我提供了很宽松的学术环境,科研经费也不太缺乏,我为何要舍近求远到国外工作?”唐世明说。
虽然唐世明在果蝇方面已经作出国内外同行认可的成就,但他认为果蝇并非最好的“人工智能”研究对象,唐世明敏锐的研究目光,已经盯到了猫和狼这些动物。

(责任编辑:泉水)
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