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2021-11-22 14:19
11月19日-20日，2021未来科学大奖周科学峰会成功举办。由于疫情原因，本次活动采取线上为主、线下为辅的形式进行。科学峰会期间，我们特别邀请到来自斯坦福大学、北京大学、清华大学、中国科学技术大学、哈佛大学、耶鲁大学、普林斯顿大学、复旦大学、芝加哥大学、麻省理工学院、加州大学圣地亚哥分校、加州理工学院、斯德哥尔摩大学、滑铁卢大学、丰田工业大学、美国科罗拉多大学、西湖大学、山西大学、浙江大学、南京大学、北京航空航天大学、芝加哥丰田计算技术研究所、中国科学院、国家天文台、元禾璞华、华大九天等顶尖科研院所与产业龙头，数十位全球顶级科学家及专家学者，分别围绕生命科学、物理、化学、天文、数学、计算机6大领域，聚焦干细胞与再生医学、RNA生物学、功能性脑成像与干预、量子的人工调控、量子材料、化学与材料、有机合成分子、宇宙起源、宜居星球、深空探测、代数几何、数论、几何拓扑、人工智能与生命科学、芯片等全球挑战性科学议题，分享及探讨前沿学术成果。今天分享的是科学峰会里“生命科学”“数学”“计算机”三大领域专场的相关内容。
解读生命密码探寻科学未知
在【生命科学】干细胞与再生医学专场中，2021未来科学大奖周Program Committee联席主席、斯坦福大学文理学院讲席教授、美国人文与科学院院士、美国国家科学院院士骆利群对演讲嘉宾进行了介绍：林海帆教授长期从事干细胞生物学、癌症干细胞学、与生殖生物学的研究。他证明了干细胞非对称性分裂的自我更新理论与干细胞微环境假说，发现了多种干细胞调控基因，包括著名的Argonaute家系，并同期于他人发现与命名了piRNA(2006年Science十大科学突破之一)。而邓宏魁教授在干细胞研究领域做出多项开创性贡献，让体细胞重新获得多潜能性。
未来科学大奖科学委员会委员、耶鲁大学Eugene Higgins讲席教授、耶鲁大学干细胞中心创始主任、上海科技大学生命学院创始院长(兼)、美国科学院院士、美国人文与科学院院士、中国科学院外籍院士林海帆，以《Piwi-piRNA 通路: 一个基因调控的新世界》为题进行了学术报告。林海帆院士团队与1998年发现了第一个在动植物界干细胞都起着关键作用的基因家族——PAZ/PIWI结构域基因家族(即PPD家族，又常称argonaute家族)，此外，团队也与其他三个实验室同期发现并命名了piRNA。PPD家族在各种非编码小RNA机制中发挥核心作用，其中，PIWI蛋白能与piRNA结合，在生殖细胞与原始干细胞中特异表达，代表了一种能整合基因组里各种序列的全基因组调控模式。
北京大学博雅讲席教授、干细胞研究中心主任邓宏魁以《化学重编程：细胞命运调控的新方法》为题，介绍了利用化学重编程制备多潜能干细胞和功能细胞，利用人多潜能干细胞分化制备肝脏细胞并应用于生物人工肝等研究成果。通过化学重编程对细胞命运进行调控，在体外可以实现功能细胞的制备，用于修复损伤的组织，在体内可以直接促进组织的再生，具有广泛的应用前景。
在【生命科学】RNA生物学，未来医疗新方向专场中，骆利群对本场的两位演讲嘉宾进行了介绍：何川教授开发了DNA表观遗传学中DNA修饰碱基5-羟甲基胞嘧啶和5-醛基胞嘧啶等的检测和测序方法，是“RNA表观遗传学”这个全新领域的发起人。付向东教授长期从事RNA基础生物学研究，在最新的研究中，证明敲降PTB确实能够产生新的多巴胺能神经元，并有效地逆转了帕金森疾病。
未来科学大奖科学委员会委员、芝加哥大学讲座教授、美国霍华德·休斯医学研究所研究员何川，以《RNA 甲基化在生物医学和农业里的未来前景》为题进行学术报告。2010年何川提出RNA的表观遗传学的概念，发现可逆的RNA修饰如RNA的甲基化和去甲基化能够调控RNA的稳定性和翻译，在动植物中都具有非常重要的生物学功能。这些发现已在促进干细胞扩增以实现骨髓移植等方面证明了其临床的广泛用用前景，推进了细胞治疗进展。同时在农作物生产和草地恢复方面也展现出巨大的应用前景。
美国加州大学圣地亚哥分校细胞和分子医学系教授付向东，在《神经再生：一个异常颠簸的发现之旅》的学术报告中分享了他在非神经元细胞转化为神经元的科研经历。付向东教授长期从事RNA基础生物学研究，大约十年前付教授团队发现，敲降一个RNA 结合蛋白PTB能够将多种类型的细胞转化为神经元。这揭示了一种新的将非神经元细胞转分化为神经元的“减法”策略。
在【生命科学】功能性脑成像与干预专场中，未来科学大奖周Steering Committee委员、未来论坛理事、北京大学李兆基讲席教授谢晓亮在致辞中表示：“随着新的技术手段的进步，我们不仅能在分子和细胞的水平上继续研究，还可以在神经网络和系统的水平上理解脑功能。” 谢晓亮教授也对环节嘉宾进行了介绍：“刘河生教授团队利用功能核磁找出了人脑不同的功能区域，对理解大脑机制进行脑疾病的个体化治疗具有重要意义。李路明教授团队的脑起搏器关键技术系统与应用，攻克了帕金森步态障碍的治疗等世界难题，同时也是我国有源植入医疗器械超越进口实现领跑的成功范例。而高家红教授团队正在研发全新的大脑动态成像仪器，让脑磁信号成为探索人脑奥秘和治疗干预的重要途径。”
哈佛大学附属麻省总医院人脑个体差异实验室主任、南卡罗莱纳医科大学终身教授以及脑影像中心主任、Smart State讲席教授刘河生以《个体化脑功能区剖分技术》为题进行学术报告。他表示：“由于人脑的个体差异巨大，现有的功能影像手段尚不能准确、可靠地反映单个患者的脑功能网络，使得功能影像的临床应用受到限制。团队通过研究人脑的个体差异，开发了一种新的脑功能成像方法，精确绘制个体水平的脑功能区剖分。根据每位患者大脑功能的个体化脑功能区剖分(pBFS), 可以‘量身定制’研究其大脑认知功能，对多种神经和精神疾病实现个性化的调控干预。”
清华大学航天航空学院教授、神经调控技术国家工程实验室主任、清华大学航天航空学院院长、清华大学医工交叉研究院院长李路明，以《脑起搏器-从临床到脑疾病研究》为题，介绍了脑深部电刺激在国内的研究进展。他表示：“脑起搏器是研究大脑的有力工具。团队经过20年的努力，不断在脑起搏器方面取得进展：包括建立远程调控体系，解决患者就诊难题;提出变频刺激概念，在治疗步态障碍取得了良好效果;设计了有同步记录能力的脑起搏器，实现了刺激下的同步记录与对外信息传输，用于带感知功能的神经刺激、睡眠监控等研究，使脑起搏器成为脑疾病科学研究的有力工具。此外，研制了用于脊髓电刺激的高密度电极和刺激器，构建了人工脊髓系统，正在研究让截瘫患者重新站立、行走，并取得了重要进展。”
北京大学讲席教授、北京大学磁共振成像研究中心主任、医学物理和工程北京市重点实验室主任、北京大学麦戈文脑科学研究所研究员高家红，以《人脑磁场的探测与解析》为题进行学术报告。他指出：“人类大脑神经元活动产生的电信号每时每刻都会形成脑磁场，脑磁信号已经成为探索人脑奥秘的重要途径。由于脑磁信号极其微弱，大脑中磁信号的探测和精准解析是巨大难题。目前，随着基于原子磁力计探测技术的新一代脑磁图的发展和成熟，可穿戴和小型化脑磁探测技术将在脑机接口发挥重要作用，助力科学家和医生解密人类认知、攻克癫痫和抑郁以及语言和行动障碍等神经系统疾病的诊疗难点，惠泽大众的日常生活。”
人类想象力的构造 最终级就靠0合1实现
在【计算机】人工智能与生命科学专场中，清华大学智能科学讲席教授、智能产业研究院院长，美国艺术与科学院院士，中国工程院外籍院士张亚勤在致辞中表示：“过去四年引入深度学习给生命科学领域带来了快速发展。从一开始ResNET的应用到后来Transformer伴随着很多进展的产出。同时，从序列、结构、功能的研究再到成药需要很长过程。秉持远见、保持耐心，让人工智能加持下的生命科学产生更多突破。”
未来科学大奖科学委员会委员、滑铁卢大学校级教授(University Professor)、加拿大皇家学会院士李明在《深度学习赋能高精度免疫肽段组学和个体化癌症免疫治疗》学术报告中表示：“当一个细胞发生癌变，我们的白细胞抗原(HLA)系统会把一些变异的肽段(新抗原)表达在细胞表面，以通知胞毒T细胞(CD8+ T)来清除这个癌细胞。个体化癌症免疫治疗的关键就是找到这些新抗原，而这正是人工智能取代湿实验室的必然性。我们用深度学习来3倍提高肽段从头测序的精度，从而为个体化癌症免疫治疗铺平道路。”
芝加哥丰田计算技术研究所教授许锦波，以《蛋白质结构预测和深度学习》为题，介绍了现代人工智能(AI)方法(例如深度卷积残差神经网络与transformers)是如何革命性地实现蛋白质结构预测的。他表示：“准确描述蛋白质结构是理解生命过程的基础。通过实验手段测定蛋白质结构存在通量不足、费用昂贵等问题。而干试验比湿实验具有速度更快等潜力，但从氨基酸序列预测蛋白质的结构难度很大，通常需要大量的计算资源。通过引入深度学习，颠覆了蛋白质结构预测，深度卷积残差神经网络能够将最难测试蛋白的预测精度大幅提高。”
在【计算机】芯片专场中，未来论坛理事、元禾璞华投委会主席陈大同在致辞中对两位演讲嘉宾进行介绍，他表示：“王志华教授有多重身份，他既是国际知名的顶尖的半导体专家，同时也是半导体领域的教育专家，另外，他也与学生连续创业，在微电子技术和医药剂相结合方面卓有成效。另外一位是国内龙头企业华大九天(专门开发EDA软件的公司)的CEO，杨晓东博士，他较早介入了EDA产业，并在硅谷进行了EDA产业的一系列尝试。他们将就国内集成电路产业的发展以及本土EDA突破，结合自身的产业洞察与思考，给予行业发展可行性方案。”
清华大学长聘教授、电子电气工程师协会会士王志华在主题报告中回顾集成电路产业发展的历史与现状，并从资金、人才、技术与市场等角度，分析国内集成电路产业的发展面临的挑战与机遇以及未来努力的方向。他指出，迄今为止集成电路技术已经发展了70余年，今天集成电路技术已经成为工业的基础、产业的核心、安全的保障、知识产权的有效载体，就芯片国产化而言，广义电脑的小型化、智能化曾经驱动集成电路发展数十年，未来小型化和智能化仍然是集成电路发展的重要推手，此外，也可以将非电产品电子化作集成电路发展的重要选项。在他看来，随着EDA及工艺技术的不断升级，集成电路技术和产业会持久的、长期的发展，而这有赖于从AI的底层算法寻求突破。
华大九天CEO杨晓东在《电子设计自动化 (EDA) 技术的过去与未来》分享中表示：“虽然EDA已发展近半个世纪，但半导体产业依然不断面临来自性能、成本、良率、功耗及物理极限的持续挑战。”他指出，集成电路的发展遵循着摩尔定律，摩尔定律的延续需EDA技术的支撑，而设计复杂性驱动整个设计方法的发展，新的应用也催生很多集成电路需求，带动EDA的发展。中国自主研发EDA产业的发展对保障国内半导体产业至关重要，但需要加速和强化人才培养和相关基础科学的研发及投入。他相信，EDA的未来在中国，中国的EDA大有可为。
用0-9理解世界用0和1建构世界
在【数学】代数几何专场中，2021未来科学大奖周Program Committee轮值主席，浙江大学求是讲席教授、数学高等研究院院长，中国科学院院士励建书演讲嘉宾进行了介绍。他表示：“阮勇斌教授是新几何领域国际领军人物，在辛拓扑与量子上同调等方面的开创性研究在国际数学界有重要影响。李骏教授解决了代数曲面上向量丛模空间理论的一系列基本问题，其结果被写入教课书已成为该领域的经典定理，是在代数几何方面有很深造诣的领袖级专家。”
浙江大学数学高等研究院教授、中国科学院院士阮勇斌在《曲线知多少》中，通过一些直观的计数问题，让听众感受数学的有趣，以及计数几何理论的威力。阮勇斌教授从基本的平面几何中的数直线条数出发，介绍了其推广版本：在二次、三次曲面上数有理曲线，这些问题的解决与我国著名数学家陈省身引入的Chern示性类相关，并进而介绍了复平面上数有理曲线的问题，这由著名的Gromov-Witten理论彻底解决，并且该理论可以处理更复杂的计数问题，在Calabi-Yau 3维流形上的计数。有趣的是，该问题的答案是先由物理学家运用物理理论，弦理论给出的。
上海数学中心首席教授、复旦大学数学科学学院教授、中国科学院院士李骏，在《不可思议的代数有效性》中，希望和大家分享数学体系之美。他指出，代数几何始于黎曼用几何方法研究多项式的根，其成熟于代数和几何方法的交互使用。数学的美妙，在于应用逻辑可以将不可思议的点连成线。他以用离散的有限域方法解决复流形上连续几何的问题这一例子来体现所叙的美。李骏教授与合作者关于K3曲面上是存在无限条有理曲线的研究就是这一美妙的具体体现。李骏教授也试着解释了现代代数几何的开创者Grothendieck建立的整数曲面如何将离散的有限域与我们可见的空间联系起来，向听众展示了他们的证明思路中奇妙的部分。
在【数学】数论专场中，励建书对本场演讲嘉宾进行了介绍：刘一峰教授的研究方向是数论、自守形式与代数几何，同时也是椭圆曲线的专家，曾于2017年获斯隆研究奖，2018年获SASTRA拉马努金奖。恽之玮教授主要研究领域是几何表示论，此前恽之玮和张伟因为L函数的泰勒展开的高阶项提供了几何解释，赢得了当年的数学“新视野奖”。两位80后青年数学家将向观众展现数学世界的神奇奥秘。
浙江大学数学高等研究院教授刘一峰，在《从丢番图方程到算术几何》学术报告会中，以找“水果方程”的正整数解开场，介绍了数学家如何用椭圆曲线观点来看待并解决这类问题，进而介绍了一般的丢番图问题与该领域著名的BSD猜想。他指出，BSD猜想涉及黎曼zeta函数的推广：L函数，猜测了L函数在s=1处的零阶与椭圆曲线有理数解的秩的联系。BSD猜想的一个著名进展是Gross-Zagier公式，刘一峰教授与合作者通过对高维代数簇的算术几何研究，将这一公式推广到了高维。
麻省理工学院教授恽之玮从图形的对称性出发，引出了今天的主题——《数论与对称性》。他首先介绍了代数的对称性，在他看来，研究清楚这一对称性可以说是数论的一个终极目标。进而恽之玮教授介绍了数学家用来描述对称性的概念：群，并通过计算一些mod p解丢番图方程的例子，解释了这与随机矩阵之间的联系，这也是伽罗瓦群和连续李群之间的联系。此外，恽之玮教授还介绍了Langlands纲领，这也为上述联系给出一些猜想。
在【数学】几何拓扑专场中，励建书教授对演讲嘉宾进行了介绍：田刚教授解决了一系列几何及数学物理中的重大问题，特别是在Kahler-Einstein度量研究中做了开创性工作，是Gromov-Witten不变量理论的奠基人之一。而刘毅教授是非常有才华的80后的青年数学家，其主要研究领域是低维拓扑，课题涉及三维流形、双曲几何等。此前，刘毅的研究确证了DFL在其理论建立之初遗留的大多数猜测，因而具有基础性意义。
未来科学大奖周Steering Committee委员、未来论坛理事、北京国际数学研究中心主任、中国科学院院士、美国人文与科学院外籍院士田刚以《拓扑与几何化》为题，从拓扑学的经典结果凸多面体的欧拉公式出发，介绍了二维曲面的拓扑分类，进而谈及高维拓扑中重要的工具之一同调群。随后田刚教授简要讲解了几何学中的著名问题庞加莱猜想，以及在解决这一问题过程中发展出的一些理论和工具——黎曼几何、Thurston的三维几何化猜想、Ricci流等。
北京国际数学研究中心教授刘毅，以《曲面的映照与复叠》为题进行学术报告，借助一般曲面的Euler公式的例子，介绍了Gauss-Bonnet公式和Riemann的单值化定理，并指出，它们都是研究曲面上各种几何结构的重要工具，为有特定拓扑结构的曲面上几何结构给予限制。随后刘毅教授介绍了曲面映射的结构和例子，包括自映射中的周期映射，Dehn扭曲，伪Anosov型，曲面间映射中的捏映射，分歧复叠等。
2021未来科学大奖周科学峰会是极具影响力的高端多领域国际性科学会议，围绕世界前沿话题，以科学突破未来边界，启迪和传播科学精神，传递科学能量、点燃科学激情，希望通过国际尖端科研人才的领先性意见和独到见解感染更多的科学爱好者和年轻的科学力量。今年，为期一周的未来科学大奖周期间举办的多场系列活动及科学艺术展览已顺利举行。相信在疫情时期，线上线下完美结合的科学盛会必然能突破时间和区域的界限，打造出2021年度最有影响力的科学盛事，以科学精神影响中国、影响世界、影响下一代。