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2011年3月4日

科技创意 - 数学有助破解脑退化症之谜
陈繁昌校长
「本文原载于3月4日信报财经新闻」
 

科技对改善人类生活与促进社会发展,起着重要的作用。谈及对人类社会的贡献,大家可能会先联想起能提高生活水平的应用科学,或改善医疗保健的医学研究。其实应用科学研究仍需基础科学研究的支持,而医疗系统的背后尚有生化学家、物理学家、数学家与工程师等的默默耕耘,各科同样重要;让我先从数学说起。

数学与各科及日常生活息息相关,能解决多个范畴的问题。以纯数学研究的几何、代数与微积分等为例,其数式可解决物理问题。物理学家爱因斯坦提出相对论, 指出四维时空(FourDimensional Spacetime)是有弧度的,一个星球愈大,其弧度就愈大,地心吸力也愈大;那么,弧度究竟有多大?这是一个数学几何问题,一百多年前数学家黎曼就透过著名的黎曼假设(Riemann hypothesis)解释。

数学亦应用于计算机图像的处理。辨识面貌(Facialrecognition)的技术,在警方查案时大派用场;同样,计算机图像亦可以描绘与分析人的大脑,为医学研究带来贡献。事实上,近年数学在医学研究发挥的作用愈来愈重要,大脑制图(Human brain mapping)就是其中一个例子。

正常脑部vs 有病脑部

大脑制图属于新兴的计算生物学范畴。神经学家需要分析正常脑部与有病脑部之分别,在过往没有精确的数学以前,医学界人士只能靠肉眼分析脑部,因此经常出现误差。近年,数学家将微分几何应用于图像处理上,把概念带进大脑制图研究,同时引进计算生物学,为脑部作系统性的研究,加深医学界对大脑,特别是对脑退化症与脑癌等疾病的认识。

2003 年,我与几何学家丘成桐教授、一群包括来自香港及其他地区的学生及博士后合作设计一系列数学模型及算法,利用数学方程式将脑部数量化。我们同时提出利用保角几何学(Conformal geometry)技术作有效的脑部结构研究,以崭新的保角影射技术,将制图摊平的同时,能将有关角度保存、避免扭曲其几何关系,方便医学界人士简单准确地于其上进行分析。我们亦提出拟保角(Quasi-conforma l) 影射技术,即是在不保存角度的情况下将东西扭曲,进行比较。另外,我们也可将图像造成平面甚至长方形。由此,我们就可以根据大脑不同部位的需要而运用不同的微分几何,从而更准确及有效地找出正常脑部和有病脑部在结构上的差异。

我们亦提出透过计算大脑上的偏微分方程,找出大脑上的解剖特征(Anatomical f eature)。

大脑制图研究可作多项比较,包括同一个人的大脑历史,譬如今年与去年的比较;亦可比较人口中不同人的大脑,譬如正常与不正常的大脑之比较。初步结果显示,脑退化症患者的其中一个征状是大脑的海马部位首先见萎缩。

我本身并不是医学专家,却能运用数学专长参与大脑制图研究;同样,手术医生并不需要钻研几何学,却透过大脑图像了解病人的病情。大脑制图集合了纯数、应用数学、生化与医学研究等成果,是跨学科研究的一例,亦是学术界一大趋势。

我同时希望透过以上例子说明,基础研究与应用研究同样重要。医学进步并不单是在医院发生的,而是需要应用科学与基础科学研究的支持。数学研究几何以至大脑制图、生化学研究基因、物理与化学对X 光与磁力共振(MRI)有贡献;而微创手术亦有赖激光与发光二极管(LED)的研究。这些研究突破,是各学科的学者埋头苦干的结果。

科学改善人类生活

在社会层面上,科学能改善人类的生活;在个人方面来说,科技教育能开启知识之门,帮助学者吸收更多知识。以我自己为例,先后在加州理工学院修读及研究物理、工程与航空学,之后在史丹福大学攻读计算器科学博士,虽然从未修读数学本科,却教授及钻研应用数学与计算器科学,曾任UCLA 自然科学院院长,管理六个学系及推动跨学科研究。2004 年我与另一位教授成功向美国国立卫生研究院建议在UCLA 成立计算器生物学研究中心,推动应用数学在医学上的应用,成为中心的共同总监。我获UCLA 计算器科学系与生物工程学系荣誉联合教席,专研计算生物学与应用数学在医学上的研究;之后担任美国国家科学基金助理署长,管理美国重点科学研究项目。我列举自己的经验,是要说明我早年接受的科技教育,对我日后的个人与学术发展起着重要的作用。科技教育就像一条宝贵的钥匙,训练个人的逻辑思维、打好坚实的基础,帮助学生认识更多学科的知识。各门学科互通,尤其今日跨学科研究已成为大趋势,科技知识更形重要。

科大明白科技的重要性,我们致力发展科技教育与研究,以研究型大学为定位。我出任科大校长以来接触了许多有创意的学生,他们自发进行研究,显示校内有丰富的研究文化;这些人才年需要我们的发掘与栽培。事实上,科大特设「本科生研究计划」,让本科生与资深教授一同进行研究;我们并增设研究基金,鼓励学生透过研究贡献社会,譬如研发适合残疾人士与长者使用的复康工具;大学亦大力支持同学自发性提出有创见的研究计划。我们透过创 业计划等协助师生创业,许多师生研发的科技已经转化为市场上的产品。

从基础研究、应用研究到发展科技产业,我们帮助每位师生发挥创意与潜能。我们深信研究与教学相辅相成,大学取得卓越的研究成果,不但教授与研究生能够受惠及感到自豪,本科生同样因为能接触杰出教研人才与研究而得益。学生参与研究,正正反映大学教育的精神─最重要的是学习过程,而不是结果。学生进行研究时需要自行构思题目、解决问题及寻找答案。在过程中,学生明白到知识并不是死的,或单单来自书本的;相反,知识是活生生的,而书本上的内容亦是作者透过活生生的学习与发现过程积累而成的知识。

大学教育的精髓就是享受学习的过程及从中有所发现,校方的角色是帮助同学从中成长。能够随时随地吸收知识的人才,正是香港转型为知识型经济、发展科学与科技的关键所在。

总括而言,我希望透过大脑制图及个人的研究范围与经验,说明科技与科技教育的重要性。香港科技大学以促进科技教研和培养人才为宗旨,开拓前沿研究及发展基础科学,推动应用科学与技术转移。同时,我们将科技普及化,透过各种渠道陈明发展科技与科技教育的重要性。

 

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