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北京大学前沿交叉学科研究院

北京大学前沿交叉学科研究院(Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,简称AAIS)于200644日正式成立,在全国高等院校中率先开辟了跨学科研究的试验田,对北京大学的学科建设、科研发展和人才培养等都具有十分重要的意义。现任院长为全国政协副主席、中国科协主席韩启德院士,执行院长为“千人计划”专家、北京大学讲席教授汤超,副院长为陈鹏教授、张幼怡教授,院学术委员会主任为欧阳颀院士。

  当代科学的发展和重大科学技术成就的取得,越来越依赖于不同学科间的交叉与融合。作为北京大学跨学科学术研究与人才培养的主阵地,前沿交叉学科研究院以北京大学雄厚的基础学科和先进的技术学科为基础,通过探索科研与管理机制创新、推动基础条件建设、招聘和引进优秀科研人才、组织学术交流与研究项目申请等工作,有力促进全院体制建设、学科建设和队伍建设。目前,研究院已建成具有良好学术交流环境、学科前沿性与学科交叉性相结合、实体与虚体相结合的交叉学科研究平台,为北京大学的交叉学科研究创造了良好的学术氛围和研究条件,挺立于中国乃至全世界交叉学科发展的潮头。

 

  研究院现有纳米科学与技术研究中心、生物医学跨学科研究中心、定量生物学中心、生命科学联合中心、大数据科学研究中心、环境与健康研究中心、磁共振成像研究中心、科学史与科学哲学研究中心、脑科学和类脑科学研究中心、睡眠医学研究中心等10多个研究机构,涵盖数学、物理学、化学、生物学、医学、工学等学科的众多交叉研究领域。通过持续引进包括“千人计划”、“长江学者奖励计划”、“百人计划”、“国家杰出青年科学基金”获选者在内的一大批学科带头人,在他们的悉心指导下,研究院历届研究生在开展各项前沿问题研究与科学技术攻关方面取得一系列重大研究进展,每年均有大量研究成果发表在ScienceCellNature(含各子刊)、Nano LettersPhysical Review LettersJACSAdvanced Materials等顶级学术期刊,在国际学术界持续引起广泛关注。此外,研究院各中心先后承担了“863计划”、“973计划”、“国家自然基金”、“国家重大科技专项课题”等在内的数百项国家级、省部级科研项目,获得多项国家自然科学奖和国家技术发明奖。

 

  研究院正逐步完善以中心为主体、以交叉为特色、以需求为导向的研究生跨学科培养体系,向社会输出全面发展的高层次人才。2014年,为适应交叉学科快速发展的需求,理顺交叉学科学生在培养过程中、乃至学位与毕业要求等各个环节,学院协助并推动北京大学成立了全国高校第一个“交叉学科学位评定分委员会”。此后,经学院牵头、交叉学科学位分会与校学位评定委员会审核,教育部批准北京大学先后在前沿交叉学科研究院自主设立了“数据科学”、“纳米科技”和“整合生命科学”三个全新的交叉二级学科。

       经过多年探索,研究院已建立起一套统筹全院大局、突出中心特点的跨学科研究生培养制度,历届博士、硕士毕业生均得到各地方科研院所、党政机关、外资企业等去向单位的广泛认可。除学术科研方面外,研究院还通过“前沿青年讲堂”等一系列富有院系特色的文化活动,瞄准青年精神需求,丰富学生校园生活;先后组织“北京大学前沿交叉学科讲师团”和“北京大学博士生服务团”开展暑期社会实践,引导前沿学子对接基层、服务社会;提出学生工作重心下移的思路,重点加强班党团工作架构、丰富班党团工作内容,积极营造学生工作与学生科研相融相促的有利平台。

 

  十年来,前沿交叉学科研究院始终肩负践行北京大学学科交叉理念、建设世界一流前沿科研基地的历史重任。未来,研究院将秉承国家“十三五”高等教育规划核心理念,进一步完善学科评价机制,推进机构深度整合,总结经验,明确思路,深化改革,求新求变,开拓进取,攻坚克难,在增加硬件投入的同时注重软实力提升,为北京大学在2018年正式迈入世界一流行列提供更为强大的动力支持与效率保障。

京大学生物医学跨学科研究中心的成立源于2000年原北京大学与原北京医科大学的合并,旨在推动和落实北京大学医学部及医院与校本部基础学科及应用学科之间的学科交叉,将基础、应用和临床科学的前沿研究结合在一起,促进整个生物医学领域从分子尺度到人类器官尺度的未来新发明、新发现与技术创新。中心的三大重要任务是:促进医学与基础和技术学科间的学术交流、培养具有交叉学科背景的新型人才、开展生物医学相关的跨学科研究工作。2006年, 北京大学前沿交叉学科研究院成立,生物医学跨学科研究中心作为核心之一纳入研究院。

 

  “生物医学跨学科学术交流论坛”是生物医学跨学科研究中心组织的重要学术交流平台。在已举办的两百余期学术讲座里,分别来自校本部和来自医学部的学者通过学术报告和讨论进行交流,内容涵盖了数学、力学、物理学、化学、信息科学、地球科学、经济学,生命科学、基础医学、临床医学、药学、公共卫生、口腔医学等众多学科的内容,为不同学科背景的科学家们提供了交流的环境和合作的机会。这些交流不仅增进了不同学科之间的了解,而且促成了不同学科专家之间科学思维的碰撞,为学科交叉合作研究打下了良好基础。

 

  生物医学跨学科人才培养是中心的另一个主要任务。 研究生培养项目所招收的学生既有来自生命科学、物理化学、基础医学等基础学科,也有来自电子学、计算机技术、生物医学工程、临床医学等众多的工程和应用学科,研究生指导教师来自北大的理学部、信息与工程学部、医学部和多家临床医院,他们在学科优势互补、交叉合作的基础上,开展生物医学跨学科前沿领域的人才培养。近十年来,生物医学跨学科中心培养了一批具有学科交叉特色的优秀研究生。他们经历了临床医学问题驱动下的跨学科学习挑战,培养了良好的学科交叉研究合作精神,取得了优秀的研究成果。获得学位的毕业生在高等学校、研究机构和相关企业得到不错的职业岗位,体现出他们在生物医学相关的领域开展学科交叉研究和教学的能力、以及在相关的产业实现技术创新的发展潜力。

 

  近年来,生物医学跨学科研究中心的来自临床医学、基础医学、生命科学、物理学、化学、环境科学、信息科学、工程学等学科背景的研究人员共同合作,以临床及基础医学问题为驱动,以跨学科研究为特点,在973重大计划、国家基金委重大重点项目等的支持下,取得了令人鼓舞的系列科研成果。近年来发表的百余篇相关的合作研究论文中,许多发表在相关专业领域的高影响力杂志上,例如ScienceNature Medicine, Materials Science & Engineering R Reports, Biomaterials, Journal of Materials Science & Technology,  Circulation Research, PLoS Biology, Cancer Letters, Diabetes, Sleep MedicineEnvironment Science and Technology, Lab on Chip, NMR in Medicine, Radiology Scientific Report等。尤其是,不同学科的研究人员共同合作,利用各自的学科优势取长补短,将先进的科学技术与前沿的临床医学需求相结合,在生物医学材料及组织工程、心血管医学及微纳技术应用、等离子体医学、医学成像及医疗大数据分析、康复医学工程等研究领域上取得了具有国际先进水平的研究成果,积极推动了前沿科学技术在临床医学的应用。例举若干成果如下:

 

  在生物医学材料与组织工程研究领域,干细胞与再生医学方面的研究构建了成分明确的人多能干细胞培养体系,首次获得既能支持体细胞重编程,又能支持人多能干细胞干性维持和定向分化的新型培养体系,并实现成骨分化、成神经细胞分化、心肌细胞分化等。在金属类生物材料的研究方面,在国际上首次给出了生物可降解金属(Biodegradable Metals)的定义和分类, 该研究结果在Materials Science & Engineering R Reports发表后,现被引用139次并入选ESI高被引论文,目前已被ISO起草的新标准直接引用。研究工作形成了可降解镁合金冠脉支架的设计思路,揭示了镁合金促进新骨形成的协同作用机制,发现镁金属通过骨膜的神经细胞来促进新骨的形成。进一步的研究发现镁金属在降解过程中产生的镁离子作用于骨膜感觉神经末梢,使之释放出更多的神经递质,神经递质和镁离子共同促进分布在骨膜和骨髓的干细胞进行成骨分化,从而促进新骨的形成。该结果被Nature Medicine接收发表, 证实镁合金可用于动物骨质疏松和骨折的修复,为镁合金在骨科领域的应用提供了理论依据。 在高分子类生物材料及组织工程支架材料研究方面,获得了最佳长期体内植入骨修复生物材料-—新型聚醚醚酮基复合材料;研发出以聚多巴胺为模板合成的高生物活性纳米羟基磷灰石骨修复材料、聚多巴胺与PCL混纺的纳米静电纺丝组织工程支架材料,构建出基于聚多巴胺的材料表面功能化修饰体系等。

 

  在心血管医学诊断技术研究领域,研究发明的兴奋收缩耦联时间诊断技术获得国家发明专利,填补了心衰早期诊断的空白,为不同分期、不同类型、不同病因的心衰患者的个体化诊疗提供了新的思路。有关在心衰发展的早期细胞内兴奋-收缩耦联出现显著衰退的发现发表在PLoS Biology后,被Nature Reviews Drug Discovery选为“亮点”进行重点评价,称‘该研究为心衰的早期防治提供了新的线索’。 研究结果表明心衰过程中microRNA-24的表达上调是心力衰竭早期兴奋收缩耦联效率下降的重要机制,揭示了心衰病理过程的关键分子机制,从而可通过抑制表达,有效阻止从代偿期心肌肥厚向心衰的病理转化,有望成为心衰早期治疗的新靶点。

 

  在等离子体医学研究领域,创新设计的空心电极介质阻挡结构的等离子体发生器实现了在大气压环境下有效激发形成电子密度高达1015/cm3的等离子体射流,成功地应用于口腔医疗、生物灭菌和疫苗制备等研究领域。例如发展了用于牙根管生物膜杀菌和牙齿美白的低温等离子体技术,证实了其有效性和安全性。等离子体活化水在抑菌和消毒方面的指标经过了国家疾病预防控制中心检测,其效果在果蔬的物理方法保鲜方面得到了可行性和有效性证实,为低温等离子体技术的临床应用及产业转化提供了重要的基础。在环境技术应用方面,该低温等离子体系统能够有效杀灭空气中的微生物气溶胶、多种过敏原以及大肠杆菌噬菌体病毒等,为空气环境净化开辟了一条崭新的途径。

 

  在脉冲功率技术的生物学医学应用领域,所发展的纳秒脉冲电场新技术可以通过调节脉冲电场的作用频率和强度等有效地抑制乳腺肿瘤、黑色素肿瘤等的生长、降低蓖麻毒素的毒性、促进关节软骨细胞的增殖分化、加速固沙植物的发育生长,乃至缩短阿维链霉菌的发酵周期进而达到抗生素产量的有效提高。这些不仅为肿瘤治疗和再生医学等临床领域提供了新的方法和技术,也为环境治理和生物产业升级提供了新的技术途径。

 

  在医学成像诊断研究领域,发展了一系列无创组织灌注和氧摄取率的核磁共振功能成像序列和参数分析方法,可用于定量组织缺血性诊疗评价。提出了基于压缩感知技术的弛豫增强RECS-3D MERGE序列,可以使三维磁共振血管壁成像质量大为改善。提出了一种基于邻域共享的压缩感知优化的磁共振成像脉冲序列,提供了高时间分辨率和高信噪比的肾脏动态对比增强图像,用于评价肾小球滤过率和肾灌注量等功能参数。根据单极天线理论所设计的全新的高信噪比、大视场柔性线圈,可有效用于人体膝关节等异型部位的高信噪比和高组织对比磁共振成像。利用静息态磁共振脑功能分析,揭示了胰岛素吸入为何能提高2型糖尿病患者的认知能力以及神经带状疱疹患者的脑网络及其关键回路。一种自适应去噪和智能识别方法已经应用于超声成像进行颈动脉内中膜的定量测量。

 

  在医学信号及大数据分析研究方面,对阻塞性睡眠呼吸暂停综合征(OSAS)患者的经过持续正压通气治疗前后的脑电数据的尺度无关分析方法,表现出用非线性动力学方法评价OSAS患者睡眠质量的有效性和突出优势,进一步证实了利用个性化地粉噪声进行干预能够明显增加深睡程度、提高睡眠质量。利用自主研发的便携式无创心阻抗检测技术, 创新性地采用大数据分析方法从波动信号中提取出能够反映患者心肺耦合能力的新指标—耦合振荡因子,它能够有效反映OSAHS患者在睡眠过程中的心脏代偿能力。利用深度学习和模式识别策略,形成了基于海量临床磁共振病理图像的前列腺癌一站式辅助诊断系统,经过多中心测试证实了该系统的有效性。

 

  在康复医学工程研究方面,提出了特定瞄准任务下的非线性动力学平衡能力评价方法,为膝关节置换康复过程中本体感觉重建提供了一种有力的评价手段。提出了一种用于改善平衡能力的有效方法—经颅直流电刺激(tDCS)方法,通过行为学实验和脑功能实验验证了这种生物电干预手段对平衡康复和认知能力改善具有非常积极的意义。进一步,证实了随机噪声驱动的足底刺激对于平衡能力的显著提高也有明显效果,有望成为一种增强老年人防跌倒能力的有效技术手段。