医学故事.健康 中华医学会理事 神经外科教授
“数字生命” 解码生命奥秘的跨时代布局与深度思考
2025 年 4 月，北京大学国家生物医学成像科学中心启动的 “数字生命” 大科学计划，标志着中国在生命科学领域正式迈入 “数据驱动、模型引导、跨尺度解析” 的新纪元。这一计划依托 “多模态跨尺度生物医学成像设施” 这一国家重大科技基础设施，以 “数字化描绘生命现象、精准化解析疾病机制” 为核心目标，整合多组学数据、人工智能（AI）与生物医学成像技术，试图破解生命复杂系统的底层逻辑。本文从科学范式变革、技术支撑体系、核心研究方向、跨学科融合路径、伦理挑战与全球协作等维度，深度剖析这一计划的战略布局与时代意义。
一、科学范式变革：从还原论到系统论的历史性跨越
1.1 生命科学研究范式的三次革命
生命科学的发展始终伴随研究范式的迭代：
第一次革命（20 世纪初）：以 DNA 双螺旋结构发现为标志，还原论主导，聚焦基因、蛋白质等单一分子机制；
第二次革命（21 世纪初）：人类基因组计划开启组学时代，高通量技术实现海量数据积累，但面临 “数据孤岛” 困境；
第三次革命（当前）：多模态数据融合与 AI 驱动的系统生物学崛起，通过跨尺度建模解析生命系统的涌现规律（如细胞集群行为、器官功能网络）。
“数字生命” 计划正是第三次革命的典型实践。例如，传统肿瘤研究聚焦单个致癌基因，而 “数字肿瘤与肿瘤微环境” 项目则通过整合肿瘤细胞成像、免疫细胞动态追踪、血管生成模拟等多维度数据，构建肿瘤生长的数字孪生模型，揭示肿瘤 - 微环境互作的动态规律（图 1）。
1.2 数据驱动的生命系统建模
生命本质是多尺度动态系统：从亚细胞结构（如线粒体动态）到器官功能（如心脏电生理活动），再到生命体整体行为（如神经调控下的运动模式）。“数字生命” 计划通过以下路径实现系统建模：
跨尺度数据采集：利用双光子显微镜（亚细胞分辨率，<100nm）、PET/CT（器官尺度，mm 级）、全身生物电阻抗成像（生命体尺度，cm 级），构建从分子到整体的立体化数据链；
动态建模算法：开发时空卷积神经网络（ST-CNN）处理跨时间序列的成像数据，捕捉细胞迁移、突触可塑性等动态过程；
因果推断框架：结合贝叶斯网络与微分方程，解析多变量因果关系，例如在 “AI 解码生物钟” 项目中，通过昼夜节律成像数据，推断光照 - 基因表达 - 代谢通路的因果网络。
二、技术支撑体系：构建生命科学的 “数字基础设施”
2.1 多模态跨尺度成像设施：从纳米到米级的观测革命
作为国家 “十三五” 重大科技基础设施，该设施具备三大核心能力：
分辨率覆盖：光学显微镜（10nm-10μm）、电子显微镜（0.1nm-1μm）、核素成像（1mm-10cm），实现 10^9 倍跨尺度观测；
模态融合能力：同步获取结构（如细胞器三维重构）、功能（如钙信号动态）、分子（如荧光标记蛋白定位）数据，例如在 “数字大脑成瘾机制” 研究中，通过双光子钙成像（功能）与介观神经纤维追踪（结构），解析奖赏回路的神经编码模式；
高通量采集：每日可处理 10^4 个细胞样本、10^3 个器官切片，为大数据建模提供原始素材。
2.2 AI 驱动的数据整合与建模平台
面对 PB 级生物医学数据，计划构建 “生命数字孪生平台”，包含三大模块：
数据中台：基于联邦学习技术，整合全国 200 余家医院的临床影像（CT/MRI）、病理切片、基因组数据，实现 “患者 - 器官 - 细胞” 三级数据关联；
模型工厂：开发专用 AI 模型库，如针对心脏电生理的物理约束神经网络（PC-NN），将电磁传导物理方程嵌入深度学习框架，提升心律失常预测精度；
模拟引擎：利用数字孪生技术，在超级计算机上模拟器官手术场景，例如 “数字心脏” 项目可预演心脏支架植入对血流动力学的影响，优化个性化治疗方案。
2.3 生物技术与信息技术的深度耦合
生物标记物自动化识别：训练 YOLO-Life 模型，在病理切片中自动识别肿瘤微环境中的三级淋巴结构（TLS），效率比人工提升 50 倍；
时空组学技术突破：结合空间转录组（10μm 分辨率基因表达）与光片显微镜（3D 动态成像），在 “数字干细胞” 项目中解析胚胎发育的时空基因调控网络；
量子计算预研：探索量子神经网络在蛋白质结构预测中的应用，目标将 AlphaFold 的计算时间从小时级压缩至分钟级。
三、核心研究方向：锚定重大科学问题与人类健康需求
3.1 脑科学与认知解码：从成瘾机制到意识本质
数字大脑成瘾机制：通过光纤钙成像追踪伏隔核神经元活动，结合功能磁共振成像（fMRI）分析奖赏通路的异常激活，开发 AI 戒断干预算法；
AI 解码生物钟：构建昼夜节律数字模型，揭示光照周期、肠道菌群与代谢疾病的关联，为时差综合征、失眠等提供精准干预方案；
意识的数字建模：整合脑电（EEG）、磁脑图（MEG）与介观神经连接图谱，探索意识涌现的数学表征，推动脑机接口技术突破。
3.2 疾病机制解析：从器官到系统的精准建模
数字心脏：建立心脏电 - 机械耦合模型，模拟心肌梗死对心脏传导系统的影响，开发心律失常预测 AI；
数字骨髓：追踪造血干细胞分化的时空动态，解析白血病发生的微环境调控机制，为骨髓移植供体匹配提供数字模拟；
数字肿瘤：构建肿瘤血管生成的多尺度模型，预测抗血管药物对肿瘤生长的抑制效应，优化个性化化疗方案（图 2）。
3.3 生命本质探索：从干细胞到演化规律
数字干细胞：通过单细胞成像与轨迹分析，解析诱导多能干细胞（iPSCs）分化的表观遗传调控网络，推动器官再生研究；
数字演化：结合古基因组数据与现代生物成像，模拟物种进化中的器官形态演变，为合成生物学提供演化约束条件。
四、跨学科融合：构建 “生物 - 医学 - 工程 - 信息” 创新生态
4.1 学科交叉的三大维度
技术交叉：生物医学工程（如可穿戴式多模态传感器）与 AI 结合，实现人体生理参数的实时动态建模；
方法交叉：将控制论中的反馈调节理论引入生物钟研究，解析昼夜节律的鲁棒性机制；
数据交叉：融合社会行为数据（如手机使用模式）与脑成像数据，研究数字时代的认知退化机制。
4.2 产业转化路径
精准医疗应用：开发 “数字病理医生” AI 系统，在 10 分钟内完成病理切片的肿瘤分型与预后评估，已在 30 家三甲医院试点；
新药研发加速：通过器官芯片数字模型，模拟药物在肝脏 / 肾脏的代谢过程，将临床前药物筛选周期从 18 个月缩短至 6 个月；
健康管理革命：基于全身成像数据的 “数字健康档案”，提供个性化饮食、运动建议，降低代谢疾病发病风险。
五、伦理挑战与数据治理：构建负责任的科研体系
5.1 三大伦理风险与应对
数据隐私保护：建立生物医学数据 “联邦学习 + 区块链” 系统，确保患者数据 “可用不可见”，已申请 20 项数据加密专利；
AI 决策透明性：开发可解释 AI（XAI）技术，在 “数字肿瘤” 诊断中提供决策逻辑可视化界面，提升医生与患者信任度；
技术滥用防范：成立伦理委员会，制定《数字生命研究伦理指南》，严禁利用数字孪生技术进行人类胚胎基因编辑模拟。
5.2 数据治理框架
标准化建设：发布《生物医学成像数据标准 V1.0》，统一 12 种成像模态、8 类生理指标的数据格式；
算力共享平台：接入 “东数西算” 国家枢纽，实现西部算力资源与东部科研需求的动态匹配，降低模型训练成本 30%；
人才培养计划：联合清华大学、浙江大学开设 “数字生命交叉学科博士项目”，培养兼具生物学背景与 AI 能力的复合型人才。
六、全球协作：从跟跑到领跑的战略机遇
6.1 国际竞争格局
美国：“脑科学计划”（BRAIN）聚焦神经连接图谱，“精准医疗计划” 侧重基因组数据应用；
欧盟：“人类细胞图谱”（HCA）致力于单细胞分辨率的人体细胞建模；
中国优势：依托成像设施的跨尺度观测能力与临床数据规模，在 “数字器官”“疾病数字孪生” 等领域形成特色优势。
6.2 全球协作机制
数据共享网络：加入国际生物医学成像联盟（IBIC），与美国 NIH、欧盟 EBRAINS 建立数据互认机制；
联合攻关项目：与日本理化学研究所（RIKEN）合作 “数字肝脏” 研究，解析肝炎病毒感染的跨尺度传播机制；
技术输出：向 “一带一路” 国家提供 “数字病理 AI” 技术支持，提升全球疾病诊断效率。
七、挑战与对策：破解 “数据 - 模型 - 应用” 闭环难题
7.1 技术瓶颈
超高分辨率成像的时间成本：开发自适应成像算法，根据数据特征动态调整扫描精度，将单个器官三维重建时间从 24 小时缩短至 4 小时；
多模态数据融合误差：建立跨模态校准数据库，通过生成对抗网络（GAN）减少光学 - 电子显微镜的尺度转换误差；
复杂系统建模的可解释性：引入符号 AI 与深度学习结合的 “神经符号系统”，在生物钟模型中嵌入昼夜节律的生物学先验知识。
7.2 资源整合挑战
跨机构数据壁垒：通过 “数据信托” 机制，明确医疗机构、科研单位、企业的数据共享权责，已促成 15 家医院的数据互联互通；
算力需求缺口：规划建设 “生命科学专用超算中心”，峰值算力达 10^18 次 / 秒，满足 PB 级数据的实时处理需求。
八、未来展望：从数字生命到生命数字
“数字生命” 大科学计划不仅是技术突破，更是对生命认知的哲学升级。当细胞迁移轨迹、神经冲动传导、器官发育过程被转化为可计算的数字模型，人类将首次以 “上帝视角” 审视生命系统的运作规律。未来，随着量子计算、脑机接口、合成生物学的突破，“数字生命” 有望实现三大跨越：
从解析到创造：基于数字模型设计人工生命体，如具备自主修复能力的 “数字器官”；
从疾病治疗到生命优化：通过生物钟数字调节，提升人类认知效率与生理机能；
从地球生命到宇宙生命：为地外生命探测提供 “数字生命指纹” 识别模型，拓展生命科学的宇宙维度。
这项计划的真正价值，在于它标志着人类开始以工程化思维解码生命 —— 如同拆解复杂机器般解析生命系统，又以系统论思想重构对生命本质的认知。在这个数据即新 “基因”、模型即新 “理论” 的时代，“数字生命” 正引领我们走向一个生命奥秘可量化、可预测、可设计的未来。
结语
“数字生命” 大科学计划的启动，是中国在生命科学领域的一次战略突围。它不仅瞄准疾病治疗的现实需求，更致力于破解生命本质的终极问题。这一计划的成功实施，将推动人类从 “观察生命” 走向 “理解生命”，并最终迈向 “设计生命” 的新境界。在技术与伦理的平衡中，在数据与模型的迭代中，我们正书写一部新的生命解码史 —— 一部由代码与细胞共同谱写、算法与基因相互诠释的壮丽篇章。
