李兆平：走一條與眾不同的科學路

2019-11-13來源：中國科學報作者：王之康

圖片來源：中國科學報

人物簡介

李兆平，1984年本科畢業於復旦大學物理系，因1983年獲李政道發起組織的 CUSPEA物理考試全國第一名，於1984年被美國加州理工學院錄取，並於1989年獲得物理學博士學位。

她先後在費米國家實驗室、普林斯頓高等研究院、美國紐約洛克菲勒大學從事博士後研究。1994～1997年任香港科技大學助理教授，1997～1998年在麻省理工學院訪問。1998年，她與同事在歐洲神經科學研究領域最領先的倫敦大學學院創建了蓋茨比計算神經科學中心，擔任自然智能研究室主任。從2007年起，她在該校任計算神經科學教授。2018年，她前往德國圖賓根大學任教，並擔任馬克斯普朗克生物智能研究所感知及行為系的系主任。

她的研究經歷涵蓋高能物理學、心理學、神經生理學等多個方面，最主要的工作集中在對大腦功能的研究，包括視覺、嗅覺及非線性神經動力學等，致力於運用數學、物理和工程的思維方法去理解大腦的上述功能。

20世紀90年代末至21世紀初，她提出了一個嶄新的大腦視覺初皮層理論——「V1 顯著圖理論」。近年來，該理論引起了學術界的極大關注，獲得了越來越多的實驗支持。2014年，牛津大學出版社還出版了她著的《理解視覺：理論、模型與數據》（Understanding vision: theory, models, and data），這是計算視覺領域的第一本教科書。

說起來，無論是求學之路還是工作後的科研之路，李兆平走的一直都是一條與眾不同的路。

很多人都說女生不適合學物理，可她偏偏喜歡且擅長物理，並於1980年考入復旦大學物理系。那年，整個系約有200名學生，女生只有40人左右。她的理由是，「當時，大多數成績好的同學都報物理或應用物理系，在這裡能和大家相互學習，而且學了物理就能學會探索自然最需要的本領」。

1984至1989年在美國加州理工學院攻讀物理學博士時，作為20多名學生中的唯一一個女生，她選了一位並非物理系的導師，做了一篇似乎與物理專業不太相符的畢業論文《嗅球模型及延伸》，不過還是順利通過答辯，拿到了物理學博士學位。

1997至1998年期間，在美國麻省理工學院訪問期間，她又決定和兩位同行前往英國倫敦大學學院，創立蓋茨比計算神經科學中心，並帶領其發展成為世界頂尖的神經科學中心之一。

「V1顯著圖理論」剛提出時受到了很多質疑，一些科學家甚至認為這是天方夜譚，但隨著她在2008年用行為實驗驗證了一個意想不到的預測，這一理論開始備受矚目，她也隨之名聲大噪。

可以說，一直以來，李兆平的科研之路都表現得十分與眾不同，而這與眾不同的背後，是她對創新孜孜不倦的追求。雖然在追求創新的過程中，她也曾擔心自己會失敗，但那種源自內心的渴望讓她克服了擔心，並逐步建立、累積自信心。

如果一定要找到這種自信心的源頭，那麼，其中之一應該就是CUSPEA了。

CUSPEA帶來更多可能

1979年，諾貝爾物理學獎獲得者李政道提出的中美聯合招考物理研究生項目（CUSPEA）正式實施，陸續有幾批來自國內各大高校物理專業的學生藉此到國外攻讀研究生。

對於這一項目，李兆平剛剛進入復旦大學就知道，每年本科生第三年讀完就能參加CUSPEA考試。當時出國留學的人非常少，大家總是非常佩服、羨慕那些考取的學生。

在大學的前兩年，李兆平總覺得「這事兒和自己沒什麼關係」。直到大二結束後的一天，舍友忽然告訴她：「今年CUSPEA，我們學校考取兩名女生！」

對李兆平來說，這是一件大事，因為以往復旦大學沒有女生考取過CUSPEA，而且這兩位女生與她們同樓。傳說中的事與傳說中的人，第一次離她那麼近，「既然學姐們能考取，那麼自己也有可能考取。如果能出國留學，就能在物理專業走得更遠」。

隨後，李兆平和同學都報名參加了CUSPEA考試，並找來一些美國大學物理書裡的習題和考題試做，「感覺和國內的習題、考題風格很不一樣，大開眼界」。功夫不負有心人，那一年，復旦大學有不少女生通過了預選考試，得到正式考試的資格。

雖然很多年過去了，但是李兆平依然清楚地記得，她們一群女生浩浩蕩蕩地走向考場，正好碰到一群從浙江大學來復旦參考CUSPEA的男生時的情景。「你們復旦這麼多娘子軍來參考？」其中一位浙大的男生很是驚訝。這樣的話讓李兆平和同學覺得非常驕傲。

如今回想起來，李兆平不禁感嘆，「如果當時不出國的話，就會被分配工作，或考國內研究生之後再被分配工作，沒有自己去找工作的機會。那樣，我的生活道路可能會很不一樣。我很幸運能參加CUSPEA考試。它給我的不只是新的生活道路，更有倍增的自信。」

爭取參加CUSPEA考試的經歷，也為李兆平對生活與前途的思考，打開了一個新的窗口，那就是主動走出去。

「沒考上的同學，有的第二年考上了；有的同學加入不久後啟動自費留學途徑，這些人裡面很多是我的女同學。」李兆平說，共同的經歷把她們一直連在一起，雖然彼此天各一方。

兩個與眾不同的人相遇

1984年，憑藉CUSPEA物理考試全國第一名的成績，李兆平進入位於美國加利福尼亞州帕薩迪納市的加州理工學院，攻讀物理學研究生。

當時她並不清楚，在這裡，她將會遇到一個與眾不同的人，並因此走上一條與眾不同的科研之路。

對於物理，李兆平自然是喜歡的，但是單純研究物理，心裡總覺得有種不滿足。上大學的時候，她就喜歡思考與大腦有關的各種問題。比如，男人和女人的大腦有什麼不同？為什麼有人會認為女人不適合學習物理？小孩子的大腦為什麼可塑性那麼強，可以學會那麼多東西？

在加州理工學院，她每學期選一門物理系之外的課程，不單單是覺得好玩，也想藉此尋找一種滿足感。她先後選了體育、 德語、神經科學等課程，也曾在神經生理實驗室和高能物理實驗組輪轉過，但始終沒有找到喜歡的方向。

直到有一天，加州理工學院物理系在其系列講座中請來了該校化學系教授——約翰·J·霍普菲爾德。在聽了他講述的記憶神經網絡模型——霍普菲爾德神經網絡模型後，李兆平眼睛一亮：這大概就是我喜歡的方向！

隨後，李兆平找到霍普菲爾德，希望能做他的研究生，從事計算神經科學研究。讓她倍感慶幸的是，霍普菲爾德也願意收她做學生。

李兆平認為，霍普菲爾德之所以非常痛快地就答應了，和他個人的工作經歷有著莫大關係。霍普菲爾德是一名物理學家，但他研究的是怎麼用物理的方法來理解生物界的現象。

「這樣的做法其實是很危險的，因為你會在物理系備受忽略，或者備受排擠，或者被人認為『你是在最好的物理領域做不成，才去做生物領域的東西』。」李兆平說，但霍普菲爾德並不怕，他堅持做自己喜歡的課題。「如今，他為這個領域做了很多貢獻，帶動很多人進入該領域，讓那些人也覺得這一領域非常有趣。」

雖然從物理學轉向了計算神經科學，但李兆平覺得其實並沒有離開物理。

「計算神經科學研究的是大腦，而探索大腦是探索自然的一部分，而且是很神奇的一部分，裡面有很多基本的科學問題有待我們去提出和回答。」她說，學了物理就能學會探索自然最需要的本領，包括探索化學、生命等，「我對生命一直都很好奇，其中最好奇的就是腦子」。

李兆平進一步解釋，她所用的科研方法都是最基本的，包括對自然的觀察（比如用生理、解剖、心理實驗來觀察），從觀察中發現規律並將其升華成理論假設或定律，從而推出理論預測，用實驗來驗證預測，或者推翻理論，或者找下一步的理論，再循環。「這個過程是自然科學探索過程，傳統物理就是這麼做的。所以我認為，我還是在做物理，在做基本的自然科學。」

透過「心靈窗戶」窺探大腦奧秘

雖然明確了方向，但李兆平最初在新領域的研究卻並不順利。

「大概是因為這個領域太新，沒什麼明顯或公認的標準和課題。」李兆平認為，對於計算神經科學來說，有諸多科學問題可以提出和解答的確是一件好事，但對於年輕學生來說，卻會帶來很多困惑，「我當時就是這樣一種狀態」。

自1989年從美國加州理工學院獲得博士學位後，李兆平先後在美國費米國家實驗室、普林斯頓高等研究院、美國紐約洛克菲勒大學從事博士後研究，一直到1994年。同樣的原因，使她一直沒有明確的下一步研究方向。

「不過在此期間，我接觸到不少人，他們有不同的研究背景，有的是物理背景做腦科學或相關的，也有物理學家不做腦科學但對腦科學有興趣旁觀的。」李兆平說，他們的學術辯論，以及對自己課題、方向、見解的批評或讚賞，逐漸讓她學會了對自己和別人的學術見解、問題的欣賞和批判。「進而，我也逐漸有了自己的見解和自信，而這個自信使我能克服以後的困難。」

1994年，李兆平在做一個課題時，發現必須先解決另一個技術問題，隨著對這一技術問題的研究逐漸深入，她提出了一個關於視覺初皮層的新理論——「V1顯著圖理論」，即人腦在視覺中樞的V1區（視覺初皮層，是第一個接受視網膜信息的大腦腦區）形成一個視覺顯著圖，它會像地圖一樣告訴我們哪個位置重要，吸引我們的注意力，並引導眼球自動往那個方向看。

「這個理論和教科書上說的很不一樣。因為傳統觀點認為，建立顯著圖的應該是與智力緊密相關的前額葉或類似的腦區。而早前的兩項研究讓科學家相信，V1是低級腦區，無法完成這麼高級的任務。」她說。

1953年，美國神經生物學家史蒂夫·庫夫勒在一項研究中發現，每個視網膜神經元只能對圖像上很小一塊區域（即該神經元對應的感受野）有反應，並且只有當區域內有自己「喜歡」的點時，這個神經元才會有所反應。

1963年，庫夫勒的學生戴維·胡貝爾和 託爾斯登·魏塞爾在另一項研究中發現，V1區單個神經元的感受野比視網膜的神經元感受野稍大，這裡的神經元開始能提取圖像上的「小線段」，並且不同神經元會偏愛不同屬性的線段，比如某一顏色、某一朝向、是否運動（兩人因這一發現獲得1980年諾貝爾生理學或醫學獎）。

依此類推，隨著視覺信息的深入，比V1高級的腦區（V2、V3、V4、V5等）的神經元能夠認出的圖像會越來越複雜，並最終在前額葉之類的腦區形成一個視覺顯著圖，引導注意力的方向。但現實是，幾十年過去了，科學家照此思路開展的研究進展並不順利。

而根據「V1顯著圖理論」，V1區其實並不只是在提取圖像裡的小線段，還能造出顯著圖來引導注意力。這也就解釋了很多司空見慣的現象，比如，道路上唯一逆行的車輛能自動吸引注意力，萬綠叢中一點紅也能自動吸引注意力。

剛開始，這個理論長期不被接受或欣賞。對此，李兆平也曾感到很孤獨，但她並不困惑，因為「我清楚地認識到我的發現有價值，與眾不同的一個好處，就是站在和別人不一樣的背景、不一樣的方向去看，就會看見被別人漏掉的東西」。注意力的介入，意味著部分視覺信息在大腦裡被選擇或丟失，但實際已經在V1區附近發生，而傳統思路並沒有考慮這些因素，這很可能是高級視覺皮層難以理解的原因。

為了驗證這一理論，在說服不了別人做實驗的情況下，她就自己學做實驗，從心理行為實驗到生理實驗等。終於在2008年，她用行為實驗驗證了「V1顯著圖理論」的一個意想不到的預測，進而促使學界態度發生了重大轉變。

李兆平認為，「V1顯著圖理論」雖然可以解釋為什麼與眾不同的事物會吸引人們的注意力，但她堅持所有理論都應該能用來推測未知現象，否則都只是「馬後炮」。

在對科學的熱愛面前，

文化差異不算什麼

2018年到德國圖賓根大學任教的李兆平，目前正忙於在馬克斯普朗克生物智能研究所建立感知及行為系，這讓她變得異常忙碌。

但一直忙碌的李兆平並不孤單，在她眼中，「不管是國內還是國外，都有好的科學家，都有志同道合的人」。

實際上，從本科到現在，李兆平學習和工作過的地方有很多。一路走來，她也確實遇到了很多志同道合的人，「想到他們，我就感到我在一個大家庭裡」。

而在她所說的那些志同道合的人和這個大家庭裡，最特殊的就是她的愛人、英國皇家學會院士彼得·達揚。

他們初次相遇是在一次國際會議上，當時兩人都是博士後。也許冥冥之中自有安排，在不久後找工作時，他們再次相遇了，但這一次兩人竟成了對手——同一個職位只有三個被面試者，他們就是其中兩個。

「他贏我輸，也算不打不相識吧。」李兆平說，那次競爭之後，兩人竟然開始有了聯繫，而且在交往中他們發現彼此有很多相似的地方。「我們都是書呆子，我感覺和另一個書呆子在一起很舒服。和他比起來，我還不算太書呆子氣。他大概也有同感，所以能夠互相理解。而且，與對科學的熱愛比起來，文化差異根本就不算什麼。」

當前，神經科學、人工智慧等是科學界的熱門領域，與此相伴的是社會公眾對其未來發展的無限遐想，其中有樂觀期待，也有相當程度的憂慮。不過，作為計算神經科學領域的前沿學者，李兆平對此並沒有作過多評述，在回復記者的電子郵件時，她只留下一句簡單的話：「希望真理和美以及我們對它們的追求，能永遠戰勝短見和無知。」