摘 要：對生命和智能的探索是世界科技的重要前沿，智能技術與醫(yī)療健康事業(yè)是國民經(jīng)濟的主戰(zhàn)場和國家重大需求， 發(fā)展智能醫(yī)療健康技術是保障和提高人民生命健康的必由之路。我們提出，實現(xiàn)對生命全方位跨尺度數(shù)據(jù)感知和數(shù) 字化建模，實現(xiàn)對生命機理從微觀到宏觀的全方位數(shù)學化理解，建立以信息空間中人體數(shù)字孿生為核心的數(shù)基生命 系統(tǒng)，是未來生命科學研究的新范式和智能醫(yī)療健康發(fā)展方向。

關鍵詞：數(shù)基生命系統(tǒng)；人體數(shù)字孿生；智能健康；智能醫(yī)療

0 引言

對生命的認識和對健康的追求，是人類長久以來不懈探索的共同目標。古埃及時期對人體解剖結構的探究拉開了對人體分解式研究的序幕，中國古代在公元前5世紀前后形成了以“望聞問切”觀察為基礎的對人體系統(tǒng)的認識。1674年顯微鏡用于醫(yī)學觀察，1816年誕生了聽診器，開始了人類利用儀器設備對人體進行觀察的歷程。這個歷程隨著現(xiàn)代科學技術革命在20世紀前后得到快速發(fā)展，1895年倫琴發(fā)現(xiàn) X 射線，1913年和1929年先后誕生了心電圖和腦電圖觀測技術，1953年發(fā)明了醫(yī)用超聲技術，1971年誕生了醫(yī)用計算機斷層成像（CT）和醫(yī)用磁共振（MRI）技術……這些對人體生理和病理信息進行臨床觀測的技術，協(xié)同20世紀一系列新的藥物和手術治療技術，以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和公共衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，共同推動人類預期壽命從20世紀初的三四十歲提高到了21世紀的七八十歲。

與此同時，人們對生命機理的探索也不斷深入。1865年孟德爾發(fā)現(xiàn)了基本的遺傳定律，1869—1902年 期間人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了DNA、RNA、蛋白質和染色體，1953年DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)，確定了DNA為生物遺傳物質的基本載體。1968年，吳瑞（Ray Wu）測得第一個DNA 序列，開啟了人類讀取基因組信息的征程。1990—2003 年完成的人類基因組計劃，建立了人類全部遺傳信息的參照圖譜，推動了一系列生物組學技術發(fā)展，使針對個體組學特性開展精準醫(yī)療成為可能。單細胞測序技術推動下的人類細胞圖譜計劃，旨在解密各組織器官中各種細胞類型的分子特性，將是人類探索生命機理道路上又一個里程碑。

人類生命科學和醫(yī)學研究取得了巨大進展，但隨著人民平均壽命增加和對健康生活追求的提高，醫(yī)療健康事業(yè)仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。在我國，國民死亡首因的心腦血管疾病發(fā)病率、死亡率居高不下，惡性腫瘤發(fā)病率、死亡率仍在上升，地區(qū)間、醫(yī)院間醫(yī)療資源和質量差距顯著，院外健康管理和康復存在巨大缺口。醫(yī)療健康事業(yè)面臨發(fā)展不充分、不平衡的兩大挑戰(zhàn)——對生命機理的認識和醫(yī)療健康技術發(fā)展尚不充分，優(yōu)質醫(yī)療資源發(fā)展極不平衡。

1 智能醫(yī)健的關鍵：信息獲取、理解與呈遞

進入新世紀以來，智能技術在多個領域的成功應用，使人們對智能醫(yī)健寄予極大希望，認為是解決兩大挑戰(zhàn)的法寶。但需要清醒的看到，醫(yī)療健康面臨的關鍵問題是多方面的：有些問題在頂級醫(yī)院可以做好但技術發(fā)展不平衡，以機器學習為代表的智能技術可以發(fā)揮很大作用；有些問題尤其是一些更根本性的挑戰(zhàn)，是人類自身認識尚不可及的，當前的機器學習與人工智能技術無從學起，需要發(fā)展綜合信息技術、生物技術、醫(yī)學技術、智能技術的新研究范式。

全方位、跨尺度地獲取人體多維度信息，是認識生命與健康的基礎。現(xiàn)代臨床醫(yī)學檢測技術，提供了對人體多方位、多尺度的表型信息觀測；以高通量組學技術為代表的現(xiàn)代生物學技術，可以提供器官和組織樣本單細胞、單分子分辨率的基因型和分子表型觀測；近年來快速發(fā)展的各種可穿戴和可植入設備，有望能提供對人體實時的生理信息檢測。這些技術還有很多方面不完善，當今物理學、化學、材料科學、微納電子技術和人工智能技術等的新發(fā)展，正在不斷催化出新的信息檢測技術，將使生命健康信息獲取技術體系日益成熟和完備。

信息獲取是基礎，對信息內(nèi)含規(guī)律和機理的理解是認識生命的關鍵。人類已經(jīng)積累了大量生物和醫(yī)學知識，但這些知識很多是分散的、局部的、定性的，大部分知識尚未上升到能用數(shù)學模型描述的程度。在數(shù)據(jù)和知識的基礎上，完善對復雜生命現(xiàn)象和規(guī)律的定量理解，建立生命的數(shù)學模型，是發(fā)展未來智能醫(yī)健的關鍵。

信息獲取和理解的重要性是不言而喻的，而信息在醫(yī)療健康實踐中的有效呈遞，是同樣重要卻容易被忽略的問題。醫(yī)療健康實踐中另一個重要挑戰(zhàn)是，醫(yī)療決策所需的信息和知識已越來越超出平均的人類醫(yī)生能有效掌握的程度，隨著更多信息獲取技術的發(fā)展和對生命機理認識的不斷深化，這一矛盾將更加突出。圖1示意了當前醫(yī)療實踐中對信息的呈遞情況：當前科學研究只回答了關于生命健康的部分問題，這些研究中只有部分轉化為有臨床應用潛力的原理，其中只有部分能成為可臨床應用的藥物、技術和設備；由于技術復雜性、醫(yī)院及醫(yī)生能力、醫(yī)療成本等原因，其中只有部分能到達具體的病人；而由于病人個體差異和依從性等原因，病人最終受益又一次被打折扣。這一現(xiàn)狀說明，把信息全部集中到臨床醫(yī)生進行決策實施的現(xiàn)有醫(yī)療范式已遇天花板難題，需尋找更有效的信息呈遞和應用范式。

圖 1 現(xiàn)代生命科學和醫(yī)學的患者可及性示意圖

2 數(shù)基生命系統(tǒng)：未來智能醫(yī)健解決方案

基于對醫(yī)療健康關鍵問題的分析和多年的生物與醫(yī)學信息學研究，我們提出“數(shù)基生命系統(tǒng)”這一新概念。

數(shù)基生命系統(tǒng)包括下面三重含義。

一是對生命的數(shù)據(jù)感知和數(shù)字化表示。通過全方位跨尺度、多模態(tài)生物醫(yī)學大數(shù)據(jù)，把人體表征為數(shù)字化實體。

二是人體系統(tǒng)的全維度數(shù)學模型。在數(shù)字實體中實現(xiàn)貫穿分子、細胞、組織、器官、系統(tǒng)的數(shù)學模型，讓數(shù)字實體“活起來”，模擬生老病死各種生命過程，形成人體“數(shù)字孿生”。

三是在通用數(shù)字孿生基礎上，融合個人基因組、生理病理和生活環(huán)境等數(shù)據(jù)，建立個體化數(shù)字孿生，模擬個體健康演化和疾病發(fā)生發(fā)展過程，智能推演過程中各種因素的作用，實現(xiàn)重要生命過程定量評估、精準的動態(tài)健康指導和疾病治療方案精準優(yōu)化，用數(shù)基智能解決信息呈遞難題，實現(xiàn)智能精準醫(yī)療。

人體是碳基生命系統(tǒng)，數(shù)基生命系統(tǒng)是在數(shù)字空間中用智能技術實現(xiàn)的人體孿生生命系統(tǒng)。數(shù)基生命系統(tǒng)的本質特性是在數(shù)字和數(shù)學空間中實現(xiàn)的生命，并不依賴于數(shù)字空間是在當前的硅基計算機中，還是在未來其他形式的計算機中實現(xiàn)。

建立完備的數(shù)基生命系統(tǒng)是一個很長遠的目標，但數(shù)基生命系統(tǒng)并非在完全解碼生命機理后才能建立和發(fā)揮作用。它既是一個目標，也是一種新的研究范式，把對生命的研究映射到數(shù)字空間中，通過在數(shù)字空間中的數(shù)學模擬、校驗觀測數(shù)據(jù)、外推科學發(fā)現(xiàn)，再反饋到科學實驗，這種數(shù)基 - 碳基耦合的科學研究模式，將大大加快對生命機理的認識進程。在我們最近的工作中，已成功地按這種范式，把高通量組學觀測、生物信息學分析、數(shù)學建模、數(shù)字空間仿真、合成生物學實驗相結合，在發(fā)現(xiàn)基因調(diào)控規(guī)律和設計靶向腫瘤的合成基因線路智能藥物上取得了重要進展。

數(shù)基生命系統(tǒng)是未來智能醫(yī)健的解決方案，也是當前生命科學探索和智能醫(yī)健研究的新范式。

3 數(shù)基生命系統(tǒng)的發(fā)展路線圖

數(shù)基生命系統(tǒng)是涉及到多學科的遠大科學目標，需要攻克多個關鍵科學技術問題：

● 需發(fā)展一系列基礎理論和技術，包括生命的全方位跨層次數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)認知、知識發(fā)現(xiàn)、知識應用；

● 需研究設計數(shù)基生命系統(tǒng)的基本框架，發(fā)展新的數(shù)學語言和工具，建立理論和方法體系，建立數(shù)基生命的“操作系統(tǒng)”；

● 需與應用研究密切結合，以應用需求驅動基礎研究，以基礎研究推動應用發(fā)展；

● 需選擇有代表性的醫(yī)療應用場景和健康應用場景，用示范性數(shù)基生命解決方案推動整個領域發(fā)展。

圖2給出了數(shù)基生命系統(tǒng)的發(fā)展理念圖。我們相信，把信息技術、智能技術與生物技術、醫(yī)療技術有機融合的數(shù)基生命系統(tǒng)，將成為未來智能醫(yī)療健康的理想解決方案，為人民生命健康事業(yè)做出重大貢獻。

圖 2 數(shù)基生命系統(tǒng)發(fā)展理念圖