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醫學(xué)生物信息學(xué)人才培養的理論研究論文
摘要：醫學(xué)生物信息學(xué)是應用計算生物學(xué)和生物信息學(xué)為研究基礎和臨床醫學(xué)的一門(mén)學(xué)科，是計算機科學(xué)、信息科學(xué)與醫學(xué)的交叉學(xué)科。雖然這門(mén)學(xué)科在我國已開(kāi)設了一段時(shí)間，但在實(shí)際應用中，仍存在教育理論與實(shí)踐脫節的情況。文章從醫學(xué)研究工作者和臨床醫師的角度，分析了醫學(xué)科學(xué)研究和臨床醫療工作對醫學(xué)生物信息學(xué)人才培養的需求，提出從加強醫學(xué)生生物信息學(xué)思維培養，強化醫學(xué)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才實(shí)踐和綜合能力培訓兩個(gè)方面對醫學(xué)生物信息學(xué)教育模式進(jìn)行改進(jìn)，以期通過(guò)二者的配合和銜接，使醫學(xué)生物信息學(xué)真正成為有效連接基礎研究與臨床醫療的橋梁，滿(mǎn)足現代醫學(xué)研究和醫療發(fā)展的需要。
關(guān)鍵詞：生物信息學(xué)；醫學(xué)；教育；建議
生物信息學(xué)（Ｂｉｏｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ）是一門(mén)發(fā)展迅速的生物學(xué)分支學(xué)科，由生物學(xué)、計算機學(xué)、信息管理學(xué)、應用數學(xué)及統計學(xué)等多門(mén)學(xué)科相互交叉而形成，本質(zhì)是利用計算機技術(shù)解決生物學(xué)問(wèn)題，通過(guò)信息的處理和整合實(shí)現發(fā)現和創(chuàng )新。它主要包括以下３個(gè)方面的內容：①生物數據的收集、整理、存儲、檢索、加工、分析和整合；②生物系統和結構的建模；③與生物科學(xué)相關(guān)的計算機技術(shù)的應用，這個(gè)范圍還在不斷的擴增中［１］。醫學(xué)生物信息學(xué)是指以醫學(xué)研究和臨床應用為中心開(kāi)設的生物信息學(xué)，本文討論的內容主要圍繞醫學(xué)生物信息學(xué)展開(kāi)。近２０年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)、數據庫和計算方法的發(fā)展，為生物信息學(xué)的研究提供了更為廣泛和靈活的方法；多種模式生物基因組測序的完成，功能基因組、蛋白質(zhì)組研究的開(kāi)展，各種高通量生物實(shí)驗技術(shù)快速發(fā)展為生物信息學(xué)，提供了更大研究空間的同時(shí)，也對海量的生物學(xué)數據進(jìn)行有效地挖掘和整合提出了嚴峻的挑戰；而以基礎研究與臨床醫療結合為宗旨的轉化醫學(xué)的興起對銜接二者之間的橋梁———生物信息學(xué)，提供了廣闊的應用空間。對生物信息學(xué)人才的熱切需求，以及上述機遇和挑戰導致了生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)在全世界的蓬勃發(fā)展。以美國為例，在１９９９年之前，全美只有６所大學(xué)設置有計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)，而到２００２年，則有３１所大學(xué)設置了計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，其中有１２所大學(xué)是在２００１年～２００２年之間設置的這門(mén)專(zhuān)業(yè)［１］。這些大學(xué)通常以生物學(xué)、生物統計學(xué)、計算機科學(xué)或者生物醫學(xué)信息學(xué)為依托設置這門(mén)專(zhuān)業(yè)，不同大學(xué)對該專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養模式也有所不同。在我國，很多高等院校將生物信息學(xué)作為專(zhuān)業(yè)課程設立，醫學(xué)高等院校也逐步將其作為基礎課程或選修課設立。作為一門(mén)新生學(xué)科，生物信息學(xué)在大部分院校尚處于探索階段，沒(méi)有成熟完善的教育模式可以借鑒［２］。在這種情況下，來(lái)自前期已畢業(yè)學(xué)生和用人單位的反饋意見(jiàn)對生物信息學(xué)教育模式的總結提高具有重要意義。作為一名臨床醫師和醫學(xué)研究人員，筆者深刻體會(huì )到在實(shí)際工作中，無(wú)論是自身合理應用生物信息學(xué)知識進(jìn)行思考和設計，還是找到能夠迅速融入并滿(mǎn)足實(shí)驗室研究和臨床工作需求的生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才都不是一件容易的事情。因此，本文作者就自己的一些切身體會(huì )，結合文獻和思考，對我國醫學(xué)生物信息學(xué)人才培養列舉了一些意見(jiàn)和建議，希望能夠在生物信息學(xué)教學(xué)模式的完善中起到微薄的助力作用。本文著(zhù)重探討信息技術(shù)在醫學(xué)領(lǐng)域中的應用，側重于醫院信息管理和信息系統建設方面的醫學(xué)信息學(xué)（Ｍｅｄｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ）不在本文討論范圍內。理想的醫學(xué)生物信息學(xué)人才培養目標應該是這三類(lèi)人的集合：①計算機專(zhuān)家，掌握計算機算法、計算機語(yǔ)言、軟件、數據庫結構和相關(guān)知識框架，以及硬件知識；②生物信息學(xué)專(zhuān)家，具有熟練應用計算機儲存、處理、分析和整合相關(guān)生物信息的能力；③基礎研究或臨床工作者，具有查閱文獻，提出生物學(xué)或臨床醫學(xué)問(wèn)題，合理使用上述生物信息學(xué)來(lái)思考、設計和解決問(wèn)題的能力，并能收集和正確提供用于研究的初始數據。結合我國實(shí)際情況，想讓臨床醫學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生或醫學(xué)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生同時(shí)完成以上３個(gè)方面的培訓顯然不切實(shí)際。理想的培訓模式，是通過(guò)對臨床醫學(xué)專(zhuān)業(yè)和醫學(xué)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生不同側重的培訓，再通過(guò)二者的合理分工和配合，來(lái)滿(mǎn)足以上３個(gè)方面的需求。對醫學(xué)院校學(xué)生，尤其是醫學(xué)研究生，生物信息學(xué)培訓的內容應側重于對其計算思維能力和信息學(xué)應用能力的培養，目的是使其能熟練地從生物信息學(xué)角度發(fā)現和提出生物學(xué)或臨床醫學(xué)方面的科學(xué)假設，針對該假設設計合理的研究方案，并為后續研究提供正確的初始數據；對以生物醫學(xué)為中心的信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養，內容應側重于對其計算機技術(shù)和生物信息學(xué)在醫學(xué)實(shí)踐應用方面能力的培養，目的是與前者配合，指導并幫助其完成科學(xué)假設的設計，對前者提供的初始數據進(jìn)行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及完成更高要求的計算機技術(shù)方面的應用，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。
１ 醫學(xué)生的計算生物學(xué)與生物信息學(xué)思維培養
本部分特指醫學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的生物信息學(xué)教學(xué)，部分醫學(xué)院校開(kāi)設的醫學(xué)生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)教學(xué)將在下一部分中提及。無(wú)論是醫學(xué)基礎研究，還是以循證醫學(xué)為代表的臨床研究，生命科學(xué)研究的一般過(guò)程，都遵循發(fā)現問(wèn)題→資料查詢(xún)→預實(shí)驗→提出科學(xué)假設→設計實(shí)驗驗證假說(shuō)→資料查詢(xún)和結果分析→科學(xué)理論總結的基本思路［３］。在這個(gè)過(guò)程中，計算生物學(xué)與生物信息學(xué)不僅是進(jìn)行資料查詢(xún)和結果分析的重要工具，更應是在提出科學(xué)假設和實(shí)驗設計階段就需要貫徹執行的理念和思維方式。換言之，具體的生物信息學(xué)與分子生物學(xué)實(shí)驗一樣都是驗證生物醫學(xué)假說(shuō)的實(shí)驗方法，是將一個(gè)生命科學(xué)假設用計算和信息學(xué)思維方式表達和實(shí)現的過(guò)程。在我國，絕大部分醫學(xué)基礎研究和臨床研究課題都是由醫學(xué)院校畢業(yè)的臨床工作者設計和申請的。由于臨床醫師大都承擔了繁重的臨床工作，申請者親自完成課題的機會(huì )很少，獲批課題的具體實(shí)施及數據管理、存儲、檢索、分析和整合多由研究生或實(shí)驗室工作人員負責。因此結合我國的實(shí)際情況，將生物信息學(xué)與具體課題耦合，即將一個(gè)科學(xué)假設用計算和信息學(xué)表示并有效實(shí)施的思維和實(shí)踐培訓，才是醫學(xué)生生物信息學(xué)培訓的中心內容。由于我國臨床醫學(xué)教學(xué)采用長(cháng)學(xué)制（５年、７年或８年）教學(xué)，對實(shí)踐性和針對性都很強的生物信息學(xué)而言，過(guò)早或過(guò)于籠統的培訓都顯得意義不大，所以筆者認為針對醫學(xué)生的生物信息學(xué)培訓安排在研究生階段是比較合適的，教育中心是以醫學(xué)研究需求為指導，強調信息學(xué)思維培訓和實(shí)踐操作。具體提出的建議有兩點(diǎn)
一是根據學(xué)生專(zhuān)業(yè)背景調整理論教學(xué)內容。醫學(xué)院校學(xué)生的數理基礎、計算機基礎及統計學(xué)理論基礎不能和工科院校的學(xué)生相比，醫學(xué)專(zhuān)業(yè)包括基礎醫學(xué)、臨床醫學(xué)、口腔、預防等專(zhuān)業(yè)，涉及廣泛，各個(gè)專(zhuān)業(yè)背景的學(xué)生對這門(mén)課程的需求不盡相同。因此在理論課程上，要根據不同的專(zhuān)業(yè)背景和研究?jì)热菪纬伞皞�(gè)性化”的培養方案，目的是讓學(xué)生有選擇有針對性地掌握相關(guān)生物信息學(xué)內容，例如數據庫的類(lèi)型和選擇，常用軟件的種類(lèi)和應用等，同時(shí)又不會(huì )對過(guò)于高深的生物信息學(xué)理論產(chǎn)生反感。
二是結合研究生階段的課題，開(kāi)展研究?jì)热菽M和實(shí)踐操作練習。為了更好的配合研究生階段的課題，可將《生物信息學(xué)》開(kāi)課時(shí)間調整到研究生階段的第三學(xué)期，即在學(xué)生進(jìn)入課題研究階段之后，讓學(xué)生在清楚面臨的課題內容后，有針對性地學(xué)習在完成課題過(guò)程中要使用到的知識、工具和解決問(wèn)題的思路，包括文獻查閱、保存、編輯，核酸序列查找和同源性比對及進(jìn)化分析，ＰＣＲ引物設計，基因功能、結構預測，調控元件及轉錄因子預測，蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析，跨膜區及信號肽預測，二級結構和空間三維結構的預測等。這樣學(xué)生的學(xué)習興趣和效率會(huì )大大提高。為了解決上課時(shí)間與課題時(shí)間沖突的問(wèn)題，可以采用生物信息學(xué)授課老師加入導師組成員，通過(guò)網(wǎng)上教學(xué)和答疑、夜間授課、集中授課與個(gè)別指導結合等多種方式靈活解決。
２ 以醫學(xué)為中心的生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養
如果說(shuō)對醫學(xué)生進(jìn)行生物信息學(xué)教育的目的是使其學(xué)會(huì )將一個(gè)生命科學(xué)假設用計算和信息學(xué)表示，并正確提供初始數據，那么以醫學(xué)為中心的生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)人才培養的目的，就是使其學(xué)會(huì )用計算機學(xué)和信息學(xué)處理并證實(shí)科學(xué)假設的過(guò)程。具體的內容包括，與實(shí)驗室工作人員和臨床醫生配合，從計算生物學(xué)與生物信息學(xué)角度指導并幫助其完成科學(xué)假設和課題內容設計；在課題實(shí)施階段對后者提供的初始數據進(jìn)行管理、存儲、檢索、分析和整合，以及滿(mǎn)足后者更高要求的計算機技術(shù)的需求，例如應用軟件的設計，生物系統和結構的建模，等等。目前，計算生物學(xué)與生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的培養模式主要有３種：
�、僖陨飳W(xué)為中心的多學(xué)科培養模式。理論教育以生物學(xué)為中心，在６～９個(gè)學(xué)期內陸續完成生物學(xué)部分課程（相當于普通生物學(xué)系１／３～１／４課程）的選修，然后根據興趣和實(shí)際情況選擇一個(gè)相關(guān)實(shí)驗室完成研究生課題。這種培養模式被大多數綜合大學(xué)采納。
�、谝怨こ淘O計為中心的培養模式。
�、垡葬t學(xué)為中心的培養模式。
指以醫學(xué)研究和臨床應用為中心設置計算生物學(xué)和生物信息學(xué)，絕大多數由醫學(xué)院校設置，側重生物信息學(xué)與臨床醫學(xué)的結合。在進(jìn)入課題階段之前會(huì )有１～２年臨床相關(guān)概念和信息的培訓，主要開(kāi)設的課程包括生物學(xué)、細胞生物學(xué)、分子生物學(xué)與基因組學(xué)、化學(xué)與物理學(xué)、計算機科學(xué)、數學(xué)和統計學(xué)等，甚至包括部分醫學(xué)課程，后期實(shí)踐階段通常選擇一個(gè)相關(guān)實(shí)驗室完成研究生課題�？偟目磥�(lái)，醫學(xué)生物信息學(xué)基礎課程設置與國際趨勢相符，也符合以醫學(xué)為中心計算生物學(xué)與生物信息學(xué)的培訓要求。但從近年生物信息學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生就業(yè)情況來(lái)看，確實(shí)存在素質(zhì)參差不齊，學(xué)不能致用，不能很快融入研究工作等問(wèn)題。筆者認為，這種現象可以從三個(gè)方面加以改進(jìn)：
�、僖月殬I(yè)發(fā)展和學(xué)位教育為導向，建立多層次、多形式的醫學(xué)信息學(xué)教育和繼續教育體系。各醫學(xué)院�？稍诮y一專(zhuān)業(yè)培養目標和定位的基礎上，根據自身的學(xué)科基礎和特色，結合學(xué)生畢業(yè)后的工作領(lǐng)域和就業(yè)方向，形成“個(gè)性化”的專(zhuān)業(yè)方向和培養方案。
�、诩訌妿熧Y力量的建設，形成以課程為中心的教學(xué)團隊�，F有醫學(xué)生物學(xué)教材內容寬泛、偏重理論，對實(shí)踐環(huán)節的指導較少，需要授課老師有選擇的挑選合適的內容并予以補充和完善。這對授課教師的素質(zhì)提出了更高要求，要求其能根據實(shí)際情況因材施教，有所取舍，強化重點(diǎn)。目前，各院校教學(xué)團隊和師資力量配備受限，建議可以課程為中心，培養、引進(jìn)學(xué)術(shù)帶頭人，從其他專(zhuān)業(yè)挑選骨干教師兼任等多種形式，形成以課程為中心的教學(xué)團隊。
�、蹖�(shí)踐教學(xué)與綜合能力的培養。生物信息學(xué)是一門(mén)實(shí)踐性非常強的學(xué)科，要將“學(xué)有所長(cháng)，學(xué)以致用”作為人才培養的最終目的�？梢酝ㄟ^(guò)構建開(kāi)放式實(shí)踐教學(xué)平臺，建設實(shí)踐教學(xué)基地等方式盡可能強化實(shí)踐操作訓練［４］，后期部分學(xué)生可以結合個(gè)人興趣，本著(zhù)雙向選擇的原則，將實(shí)踐階段訓練固定到導師和實(shí)驗室，并安排其參與完成某一項課題的設計、實(shí)施和總結，在整個(gè)過(guò)程中要特別注意培養學(xué)生的學(xué)習興趣和自學(xué)能力，強調知識的自我更新。
綜上所述，醫學(xué)生物信息學(xué)人才培養的最終目的是使生物信息學(xué)能滿(mǎn)足現代醫療和醫學(xué)研究發(fā)展的需要，使醫學(xué)生物信息學(xué)人才成為有效連接基礎研究與臨床醫療的橋梁，為現代醫學(xué)的發(fā)展提供新途徑［５］。
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