数字生命利用大规模生物数据和人工智能技术，使我们能够更深入地了解生命过程。这种方法有助于疾病的早期发现和治疗，支持个性化医疗方案，并促进日常健康管理，确保每个人都能享受到高效精准的医疗服务。
2024年11月6日下午4点，本学期第三期“周三茶座”有幸邀请到了中国科学院院士、北京大学未来科技学院程和平教授主讲本次茶座：“数字生命漫谈”。 刘珂教授主持了此次茶座。中国科学院院士王恩哥教授与韩启德教授担任本次茶座的与谈人。
[图] 主讲人程和平教授
程和平教授首先介绍了目前大科学时代的科研背景，强调了我们需要通过大规模、高通量的设备来获取生命数据并进行深入分析。接着，他详细介绍了他们团队搭建的多模态跨尺度生物医学成像设施的优势与能力。最后，程教授向我们介绍并展望了成像设施在现在和未来将帮助解决的新科学问题以及将实现的目标。
大科学时代的科研背景
生命体是最复杂的物质运动形式，具有10个数量级的空间尺度、10个数量级的时间尺度、10个不同复杂度层级。这种复杂性使得传统手段难以全面解析和理解生命现象。
随着数据获取能力和人工智能在数据分析上的进步，生命科学研究正在经历革命性和爆炸式的发展。尤其是在生命科学成像领域，大科学设备和大科学设施正在带领研究人员从还原论的视角走向整体论的研究方式。
程和平教授期望能够通过微观、介观、宏观多层次、多模态的超高维度成像，全景式揭示生命原理和疾病机制
[图] 演讲人照片
大科学时代的技术手段
程和平教授接着讨论了大科学时代的技术手段。他提到，近年来随着组学革命，基因组学、蛋白质组学、代谢组学等技术已经在大规模揭示生命信息。他打了个比方，指出这些组学研究揭示的更像是生命剧中的“演员”，而他希望通过构建“成像组学”来揭示生命剧的“剧照”和“剧情”。
在成像技术方面，程教授列举了X射线、全息照相、CT、电子显微镜、MRI，以及最近的次、超高分辨率显微成像技术的突破。这些技术为医学领域带来了更多生产力，并且在基础研究中还有巨大潜力等待挖掘。
在分析方面，他强调 “AI for Science”，即通过人工智能来超越现有的统计和分析能力，AI与大数据的结合将成为新的数学工具，极大地推动科学研究。
结合以上这些技术手段，绘制形成了数字生命的远景，让“多模态跨尺度生物医学成像设施”成为了可能。
【国之重器】 多模态跨尺度生物医学成像设施的建设
程和平教授向我们介绍了多模态跨尺度生物医学成像设施的建设流程。该项目自2018年4月建议书获批，2019年6月启动，2023年10月进入试运行，预计2024年12月完成整体验收，目前已通过自验收。
程和平教授将其称之为“生命观象台”：结合信息与计算机技术，以前所未有的方式融合光、声、电、磁、核素、电子等模态的信息形成影像组，以实现从埃米到米、微秒到生命周期的全景式的结构与功能成像
[图] 生命观象台介绍
程和平教授介绍了其中自主研发的一些装备部件：高灵敏度全景式PET/CT 双模态成像系统、新一代高灵敏脑磁成像系统、高场fMRI引导的高分辨荧光内窥成像霜模态跨尺度成像系统等。
[图] 自主研发装备介绍
程和平教授强调，他们的多模态跨尺度生物医学成像设施，目前融合科学-技术-工程，引领着国际前沿。
多模态跨尺度生物医学成像设施带来的新科学范式
程和平教授指出，大科学设施正在催生新的科学范式转变——从“假说驱动”向“数据驱动”转变，从“自由探索”转向“有组织科研+自由探索”的结合。
他提到，目前他们正在通过“早鸟项目”进行探索，瞄准大科学计划，推动有组织的科研合作，提出了融合科学、技术与工程的大型项目框架，尤其是“数字生命”项目。
在“数字生命”项目中，从数字器官作为起步。例如脑模拟——实现了小鼠皮层仿真，以及脑解码——对SCN神经层级的时序计算。这时，与谈人韩启德教授补充道，“各种模态的观测只能专注一个瞬间。必须获取第四维“时间轴”，能联系起现有数据、帮助获取因果关系。”。
程和平教授希望用他们的多模态跨尺度生物医学成像设施提出“标准数据集”或者叫金标准数据集，为全世界科研人员服务，号召全世界共同挖掘其中规律。
“数字生命”项目更进一步的成果是“数字线虫”——通过高精度模拟线虫的神经系统和肌肉系统，在虚拟环境中运行，全面表征线虫的智能，未来将探索生命的更深层意义。
[图] 数字线虫介绍
在讲座的结尾，程和平教授介绍了他希望实现的目标：数字孪生人。通过模拟人体，并基于新个体或病人的相似特征筛选出其数字孪生体，这将为生命远程研究、疾病机制探索、新药研发以及精准健康提供全新的研究途径。
[图] 讲座现场掠影
讲座结束后，听众与程和平教授产生了激烈的讨论。
有听众问到关于AI对科研范式的重构问题。他好奇未来能否通过AI来设计实验目标、进行实验、结果输出。甚至未来一个科研项目将以AI能理解的标准化形式输出科研结果，而不是以传统形式的论文输出。程和平教授对此肯定了AI的价值。他认为新一代科研人员的教育，除了湿实验手段，还需要有广泛的数据分析能力。他提到，目前科研仍然具有高度的个性化，难以实现工具包、数据完全共享。为了解决这一问题，他建议可以通过大工程科学项目来进行探索，从中挖掘共性问题，并最终形成成熟的科研产品。
另一位听众提出，每个设备有其探测范围，每个设备的探测范围间有鸿沟，如何跨过鸿沟结合起每个设备的观测范围，实现一个全景数据展示？程和平教授回答道，这正是他们目前正在面对的挑战，也是为什么要做一个综合性生命性观象台。目前实验上尝试物理上融合：两模态、三、四、直到五模态。而在数据分析方面，也需要有更多经验丰富的科研人员，带领团队探索新的融合范式。
王恩哥教授说，北大在大装置的使用上，曾经处于劣势。相比施一公等团队，北大的大工程应用经验不足。他认为，北大应当充分利用大装置，正如俗话所说：“拥有金刚钻才能揽瓷器活。”他还指出，北大需要大力发展AI，更好地结合实验与理论。
韩启德教授评价道：对于人类来说“看到” 至关重要。有了成像才能做进一步分析。但对于小孩和大人来说，他们的视觉能力是一样的，但面对一个事物，他们的“看到的东西”是不同的，这是因为他们的知识背景不同、理解能力不同。因此必须提升我们的统计和分析能力，否则即使看到了有意义的东西，也可能因为理解能力的局限而熟视无睹。他认为AI可以帮助我们挖掘这些奥秘，此外，通过设计生物元件，我们也可以验证生物规律。
[图] 听众讨论
随后韩启德教授、王恩哥教授及刘珂教授代表前沿交叉学科研究院和听众对程和平教授的精彩演讲表示了衷心感谢并赠送了周三茶座纪念品。
韩启德教授、王恩哥教授、刘珂教授与程和平教授合影留念
