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2021年全球脑科学发展报告 [复制链接]

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近年来,以人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、空天科技、深地深海等为代表的新一轮科技革命和产业变革深入发展,正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。

在众多极具“颠覆性”的科技领域中,脑科学无疑是最尖端、最前沿的一个,被称为生命科学的“终极疆域”。正因如此,脑科学早已成为世界各主要经济体科技角逐的主要赛道之一。但应该看到,当前脑科学正处于关键发展阶段,许多领域需要研究,许多技术需要突破。

为深刻把握脑科学的发展态势与动向,特编纂本报告,希望能为脑科学领域研究者,以及感兴趣的读者,提供有益的借鉴与启示。

一、全球脑科学研究概述

当前,全球有超过万阿尔茨海默病患者、3.5亿抑郁症患者,近10%的儿童患有多动症。据世界卫生组织的统计,包括各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病,已经超过心血管病、癌症成为人类健康最大的威胁。虽然人类已经可以“上九天揽月”“下五洋捉鳖”,但对大脑这个由上千亿神经细胞组成的3磅重的器官,仍知之甚少。因此,越来越多的科研机构和科学家正在投入到脑科学的研究中。

(一)内涵与外延

脑科学有狭义和广义之分。狭义的脑科学一般指神经科学,是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程,以及这些过程在中枢功能控制系统内的综合作用而进行的研究,主要包括神经发生、神经解剖学、神经生理学、神经通讯与生物物理学、神经化学与神经内分泌学、神经药理学、记忆与行为、知觉和神经障碍等九个领域。

广义的脑科学是研究脑结构和脑功能的科学,主要包括脑形态及结构、脑部分区及功能、脑细胞及工作原理、脑神经与网络系统、脑的进化与发育等领域的研究,以及对脑生理机能的研究,如脑是如何产生感觉、意识、动机和情绪的,如何学习和记忆的,如何传递信息的,如何控制行为的,如何进行自我修复和功能代偿的。总的来说,广义脑科学是从生物脑的角度探究大脑的物理构成、生物机理和工作机能,是一个认识脑的过程。

脑科学的研究范围不仅仅局限于认识脑,如绘制人脑发育图谱、探究嗅觉工作机理等,还包括如何更好地保护脑、开发脑、创造脑。保护脑主要包括促进脑发育、预防脑损伤、治疗脑疾病、延缓脑衰老等方面;开发脑是指开发脑的未知功能、提高脑的运用效率,以及通过类脑研究,模拟脑的功能和工作原理,尤其是模拟人脑的信息处理机制;创造脑是指通过构建大脑仿真系统,开发脑型计算机,打造以数值计算为基础的虚拟超级大脑。

目前,以新一代脑科学研究为核心,以类脑智能研究、神经性疾病与治疗、脑科学技术与方法、脑科学信息与服务为中间层,以大脑控制、脑机接口、大脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为应用层的脑科学发展图谱业已形成,并呈现出三大特征6:一是神经科学与计算机、微电子、化学、材料、工程学、物理、数学等学科的交叉融合为脑科学的突破提供了契机;二是人造大脑成为主要研究目标,包括以模仿计算为主的虚拟超级脑,以及虚拟大脑与生物大脑一体化的融合超级脑两个研究方向;三是利用信息技术认识脑、了解脑、开发脑、模拟脑、创造脑、融合脑。

(二)发展历程

脑科学的发展历程可划分为混沌阶段、萌芽阶段、开拓阶段、大发展阶段。

1.混沌阶段(16世纪之前)

早在古希腊时期,著名医生阿尔克迈翁(Alcmaeon)发现眼睛后部与大脑相连,从而发现了视神经,但其对脑的认识仍以主观想象为主。另一位医生希波克拉底认为,人的情绪和感觉均源自于脑,大脑是人类神智的载体。与希波克拉底相反,亚里士多德则认为神智在心而不在脑。此后,关于神智、灵*、精神及元气的争论长达数世纪之久,人们对脑的认知一直停留在感性层面。

2.萌芽阶段(16世纪初至19世纪初)

文艺复兴时期,达·芬奇(L.daVinci,~)通过人体解剖绘制出了大脑的4个脑室。年,维萨留斯(A.Vesalius,~)编著出版的《人体构造》对脑室进行了完整的描述。年,英国医师托马斯·威利斯(ThomasWillis,~)出版《脑的解剖学,兼述神经及其功能》,其中插图与现在神经解剖学教科书上的解剖结构图基本相同。

进入18世纪,生理学研究方法被应用到脑科学研究中。脑的兴奋性与肌肉反应之间的关系、信息传递工作原理成为研究热点。但在蒙昧、迷信的时代环境下,人们对脑的研究主要还是以零散的、偶然的发现为主,主动的、有意识的脑科学研究异常艰难,科学成果自然也寥若晨星。

3.开拓阶段(19世纪初至20世纪60年代)

19世纪,脑科学进入快速发展阶段,取得了一系列开拓性成就,如生物电的发现、神经元学说的创立、脑功能的定位、神经网络学说的创立等。

20世纪前后,人们对脑功能的研究取得突破性进展,尤其是乙酰胆碱的发现,加快了脑信息传递机理研究的进程。英国分子生物学家查尔斯·斯科特·谢灵顿(CharlesScottSherrington)将神经元之间的结构命名为“突触”,认为突触是神经元之间信息沟通的“桥梁”。随后,约翰·艾克尔斯(JohnEccle)与理查德·克里德(RichardStephenCreed)证实了抑制性突触的存在。

20世纪50年代至60年代,科学家发现大脑皮层内和皮层下的边缘系统,组成了一个复杂的神经网络,来控制情绪的生成和表达,以及情绪记忆的形成、存贮和提取,从而建立起了相对完整的脑功能图谱。

4.大发展阶段(20世纪60年代至今)

20世纪60年代,脑科学正式成为一门独立学科,其研究范围几乎涉及到生命科学的所有领域。例如,年,贝克西(Békésy,Georgvon)因发现耳蜗内部刺激的物理机制而获得诺贝尔生理学或医学奖;年和年的诺贝尔生理学或医学奖分别颁给了脑信息传递功能与情绪产生机理的发现者和研究者,他们发现神经元之间并不直接接触,而是以电脉冲的方式进行信息传递。

20世纪80年代至90年代,脑科学在微观领域的细胞分子学研究、宏观领域的大脑皮层功能研究成就卓然。年,美国科学家斯佩里(RogerW.Sperry)因证明大脑左右两半球的功能存在显著差异而获得诺贝尔生理学或医学奖;年,意大利科学家利瓦伊·蒙塔尔奇尼(RitaLeviMontalcini)因发现神经生长因子而获得诺贝尔生理学或医学奖;年,德国科学家内尔(ErwinNeher)因发现细胞内离子通道、发明膜片钳技术而获得诺贝尔生理学或医学奖,其在神经突触传递和可塑性领域也非常权威。

此外,脑科学在视觉、听觉、嗅觉、脑损伤等方面的研究,以及在学习、记忆、语言、睡眠、觉醒等高级功能方面的研究,也取得较大进展。其中,瑞典科学家维瑟尔(TorstenN.Wiese)与美国科学家休伯尔(DavidH.Hubel)因阐明视觉系统形成的机理而共同获得年的诺贝尔生理学或医学奖。

进入21世纪,脑科学研究呈现百花齐放、百家争鸣的局面。科学家们不但揭开了五觉(视觉、嗅觉、味觉、听觉、感觉)的工作原理、脑信息传递和优化处理的机制,揭示出精神疾病(如抑郁症、帕金森症、癫痫等)的产生机理,还成功绘制出大脑的动态发育蓝图,破译了人类大脑的两个组织轴,以及脑神经元网络结构适应环境的动态机制等。全球脑科学研究的发展历程如图1-1所示。

(三)研究方法

如今,随着基因技术、遗传学技术、光学技术、电信号检测技术、超高分辨显微成像技术、工程学技术、纳米技术等新兴技术逐渐应用于脑科学领域,生物解剖学、电生理学、生物化学、分子生物学、脑成像学已成为脑科学的主要研究方法(参见附表2)。这些研究方法极大拓展了脑科学研究的疆界,也将脑科学研究热潮推向了前所未有的高度。

1.生物解剖学

人类对大脑的科学认识是由解剖学开始的。古希腊著名医生阿尔克迈翁(Alcmaeon)通过解剖发现眼部后方与大脑相连,随后得出“感觉器官把感觉送往大脑,通过思考的过程,我们就在那里解释它们并从中得出概念”的结论。尽管他已经发现了视神经,但无法解释感觉是如何送往大脑的,对大脑的工作原理也是一无所知。随后,古希腊著名医生劳迪亚斯·盖伦(ClaudiusGalenus,~)通过解剖发现了脊髓,认识到神经起源于脊髓,发现肌肉运动是由脑和脊髓的神经运动控制的。解剖学在脑科学研究中最具标志性的事件是比利时学者安德列斯·维萨留斯(AndreasVesalius,~)于年出版了《人体结构》一书,书中详细绘制出了脑室7。

17世纪,英国医师托马斯·威利斯(ThomasWillis,~)出版《脑的解剖学,兼述神经及其功能》一书,对神经系统做了完整、精确的描述。此后不久,法国解剖学家维克达居尔等人通过实验观察,画出了脑的解剖轮廓。

19世纪,对大脑大规模的解剖研究已成为常态。年,法国外科医生保尔·布罗卡通过尸检证明了大脑左前叶受损即丧失语言能力,从而发现大脑语言中枢。年,德国的神经学者卡尔·威尔尼尔(CarlWernicke,~)发现语言理解能力干扰区与语言听觉区。

此后,大多数脑科学研究都是建立在生物解剖学的基础上,综合运用多种研究工具和方法开展研究。

2.电生理学

电生理学在脑科学研究中的应用最早可追溯到年。这一年,古斯塔夫·弗里茨希(GustavFritsch,-)和埃多乌阿尔德·希茨希(EduardHitzig,~)发表了一篇具有里程碑意义的论文——《论大脑的电兴奋性》,他们用电流刺激狗的大脑,通过实验观察证明用电刺激大脑皮层可以产生“对侧脑半球”的肢体运动。

年,英国生理学家理查德·卡顿(RichardCaton,~)从兔脑和猴脑的皮层中记录到微弱的电流。这是科学家第一次直接从活体动物的大脑皮层记录下电脉冲。

年,澳大利亚生理学家约翰·艾克尔斯(JohnCarewEccles,~7)把微电极插入猫的脊髓前角细胞内记录电活动,证实了抑制性突触的存在,揭开神经细胞之间信息传递的秘密。随后,英国生理学家霍奇金(A.L.Hodgkin)与赫胥黎(A.F.Huxley)将微电子技术应用于脑科学研究,完整地探明神经细胞轴突质膜表面发生的电兴奋,共同证明了神经冲动的本质是神经纤维表面细胞膜的膜电位快速倒转,即动作电位。

年,德国精神病学家汉斯·贝格尔(HansBerger,~)首次展示了人类脑电图(EEG)。

年,英国生理学家伯纳德·卡茨(BernardKatz)认为单根神经末梢自发释放出单个囊泡中的乙酰胆碱,可以引起一个极微小的终板电位,当神经冲动到来时,许多神经末梢同时释放出大量乙酰胆碱,可引起终板电位。这些研究为神经末梢的量子式释放理论打下了基础。

年,英国生理学家霍金奇(AlanLloydHodgkin)和赫肯黎(AndrewFieldingHuxley)利用电压钳技术观察神经纤维上的电脉冲,阐明了神经脉冲产生和传播的基本规律,为彻底揭开脑信号处理机制的秘密打下了基础。

此后,电生理学逐渐与新方法相结合,在脑成像、大脑动态图谱绘制等研究中发挥着越发重要的作用,成为脑科学最重要的研究方法之一。

3.生理学及生物化学

生理学在17世纪初期成为一门独立的科学,直到18世纪初期才被应用于脑科学研究领域。例如,年,瑞士生理学家阿尔勃莱希特·冯·哈勒(AlbrechtvonHaller,~)撰写的《人体生理学原理》中指出,感受性是神经的特性,因为它们在脑髓中有一个共同的回合点。

光学显微镜发明以后,在综合运用解剖学、生理学及生物化学研究方法的基础上,人们第一次观察到了神经元细胞。年,米洛·高尔基(CamilloGolgi,~)在光学显微镜下观察一块偶然放进硝酸银溶液中浸泡了几个星期的脑切片时,清晰地看到网状结节中悬浮着黑色斑点,这便是脑组织最基本的构成单元——神经元细胞。随后,西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔(SantiagoRamónyCajal,~)证实了“神经元是整个神经活动的最基本单位”这一论断。

年,英国生理学家查尔斯·斯科特·谢灵顿(CharlesScottSherrington,~)观察到了神经元之间的接触部位,并命名为“突触”,信息传递的关键部位被发现。

年,英国生理学家亨利·哈利特·戴尔(HenryHallettDale,~),发现了神经系统中的化学传递物质,特别是神经末端可释放乙酰胆碱,并从制备的生物材料中分离出乙酰胆碱。

19世纪末,反射实验方法成为生理学最主要的研究方法之一,被大量应用于脑科学研究中,而生物化学则逐渐在脑科学研究的微观领域——细胞分子学中大放异彩。

4.细胞分子学

细胞分子学主要研究神经元细胞的形态和功能,以及神经细胞的生物构成及作用。在神经元细胞的形态和功能性研究方面,主要运用神经化学的研究方法,通过观察并记录分子活动,证实了神经元是由细胞体、树突和轴突组成的。其中,细胞体是神经元的代谢活动中心,树突是神经元信号传入的主要部位,轴突是神经元信号传出的主要部位,突触是实现神经元间或神经元与效应器间信息传递的部位。在神经细胞的生物构成及作用研究方面,年,美国生物化学家朱利叶斯·阿克塞尔罗德(JuliusAxelrod)在奥塞勒发现去甲肾上腺素的基础上,分离出能灭活去甲肾上腺素的酶,为新型抗抑郁药物的研发做出了巨大贡献。年,美国医学物理学家罗歇·吉耶曼(RogerCharlesLouisGuillemin)、安德鲁·沙利(AndrewV.Schally)和罗莎琳·萨斯曼·耶洛(RosalynSussmanYalow)因发现了大脑分泌的肽类激素,并开发出肽类激素的放射免疫分析法,而获得诺贝尔生理学或医学奖。

但脑科学在细胞分子学领域的突飞猛进是在20世纪末期,这得益于激光显微镜、现代神经化学、药理学等研究方法的进步。年,德国科学家内尔(ErwinNeher)发明了膜片钳技术。该技术主要用于记录单个或多个离子通道的电流,以此来研究神经元细胞的功能。这也是当今在神经元细胞研究领域最常用的一种方法,尤其是在突触的信号传递研究方面,可以通过突触前剌激,记录引起突触后神经元的反应,结合药理学方法,调控所记录细胞的内外液成分,准确而有效地进行突触传递功能的分析。

年,科学家发现了人类脑神经细胞间信号传递的介质“多巴胺”及神经系统中的信号传导原理,使人们认识到帕金森症和精神分裂症的起因是由于病人脑部缺乏多巴胺,并据此可以为研制新型靶向治疗药物提供新的途径。

年,三位欧洲科学家因发现了构成大脑定位系统的细胞而获得诺贝尔生理学或医学奖。

由此可见,近代以来细胞分子学的突飞猛进,不但翻开了脑科学研究进程中最光辉灿烂的一页,也为攻克困扰人类已久的脑疾病和精神疾病提供了可能。

5.脑成像

早期的脑成像研究方法主要是通过光学显微技术结合化学染色来检测和观察脑的形态与功能。尤其是荧光染料、荧光蛋白和荧光显微成像技术的出现,使脑科学研究在细胞和分子水平上迈上了一个新台阶。

20世纪80年代,在荧光显微成像技术的基础上,激光共聚焦及双光子激光扫描显微镜成像技术开始应用到脑科学研究中来,实现了对活体大脑深层组织的高分辨率动态观察。

20世纪90年代初,功能性磁共振成像技术诞生并被广泛应用于神经科学领域。该技术可以帮助科学家们在不用外加造影剂的情况下,依据大脑工作时的血氧依赖性,无损伤地对活体大脑的神经元活动区域进行成像,从而成为活体无创性脑成像研究的重要手段。功能性磁共振成像技术加深了人们对脑感知等初级脑功能的认识,并为运动、学习、记忆等高级脑功能的深入研究提供了强有力的工具。

同期诞生的脑磁图技术是一种无创伤探测大脑电磁生理信号的检测方法,集低温超导、生物工程、电子工程、医学工程等技术于一体,使人们研究大脑功能、治疗脑部疾病的能力达到了前所未有的高度。因神经元的活动是以电活动的形式体现的,同时也伴随着局部电场和磁场的改变,这就为在头皮检测和记录脑电与脑磁信号提供了条件,也为脑机接口技术的研发和应用提供了可能。

随后,在脑磁图技术的基础上,穿颅磁刺激技术在脑科学研究的实验模拟中应用开来。该技术通过多个电容同时放电,电流流过被试者头皮上的线圈使感应磁场进入头皮和颅内,干扰特定的皮质功能。脑磁图技术虽然不会给被试者带来伤害,但社会上依然对此心存疑虑。

总体而言,光学显微成像、功能性磁共振成像和脑磁图技术仍具有一定的局限性。它们对脑结构的功能定位是很有效的,但对更为复杂的交互功能却作用有限。要想探究复杂脑功能的奥秘,就需要相关技术手段的发展和创新了。

(四)主要经济体发展战略

目前,全球各主要经济体均高度重视脑科学的发展,推出了各自的脑计划。总体来看,在脑科学研究领域,美国独领风骚,欧洲、加拿大、澳大利亚、俄罗斯、日韩等为第二梯队,以色列、中国等新兴力量已崭露头角。全球主要经济体的脑科学相关*策及推进历程如图1-2所示。

1.美国

年,美国国立卫生研究院(NIH)启动了“通过推动创新型神经技术开展大脑研究(BRAIN)计划”,开启了“BRAIN1.0时代”。年4月,NIH成立脑科学技术2.0工作组,并于年6月将《美国脑科学计划2.0》报告提交给美国国立卫生院咨询委员会。这标志着美国正式进入“BRAIN2.0时代”。“BRAIN2.0”的规划期限为年至年,其主要内容参见附表3。

2.欧盟

年,欧盟启动了为期10年的人脑计划(HumanBrainProject,HBP),旨在通过计算机技术模拟大脑,建立一套全新的、革命性的生成、分析、整合、模拟数据的信息通信技术平台,并促进相应研究成果的应用性转化。但在年,欧盟人脑计划放弃了在十年内实现人脑计算机仿真的研究目标,转而主攻认知神经科学和仿脑计算。该计划也进而转变成一个拥有6大信息及技术平台、12个子项目的国际组织。这6大信息及技术平台包括:神经信息平台,用于登记、搜索、分析神经科学数据;大脑模拟平台,用于重建并模拟大脑;高性能计算平台,用计算和储存设备去运行复杂的仿真计算并分析大量数据集;医学信息平台,用于搜索真实的病人数据,从而理解不同大脑疾病的异同;神经形态计算平台,借助计算机系统,模仿大脑微回路并应用类似于大脑学习方式的原则;神经机器人平台,通过将大脑模型与仿真机器人体和周围环境连接起来,并对其进行测试。

在此基础上,该计划成功举办了第10~12届欧洲神经科学学会联盟(FENS)的神经科学大会(FENS论坛、、)。

3.日本

年,日本科学家发起神经科学研究计划,即日本脑计划(Brain/MINDS),旨在通过研究灵长类动物(狨猴)建立脑发育及疾病发生的动物模型。该计划受到日本文部科学省、日本医学研究与发展委员会为期10年共亿日元(约合3.65亿美元)的资助。年,日本成功绘制出了狨猴大脑的3D图谱。

同年9月,日本正式启动人脑计划(Brain/MINDSBeyond),研究对象从狨猴大脑拓展到人类大脑,主攻以下5个方向:发现和干预初期的神经疾病,分析从健康状态到患病状态的大脑图像,开发基于人工智能的脑科学技术,比较研究人类和灵长类动物的神经环路,划分脑结构功能区域并开展同源性研究。

年,日本通过对个个体进行分析发现,精神分裂症、躁郁症、自闭症谱系障碍、重度抑郁症患者的胼胝体白质结构存在相似变异,并且与正常个体差别显著。这为疾病分类提供了新的理论支持,在脑科学研究进程中具有重大意义。

4.中国

年,旨在探索大脑秘密、攻克大脑疾病、开展类脑研究的中国脑计划正式启动。该计划以阐释人类认知的神经基础(认识脑)为“主体”,以研发重大脑疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”,主要解决大脑三个层面的认知问题:一是大脑对外界环境的感官认知,如注意力、学习、记忆以及决策制定等;二是对人类及灵长类动物自我意识的认知,即通过动物模型研究人类及灵长类动物的自我意识、同情心及意识的形成;三是对语言的认知,探究语法及广泛的句式结构,用以研究人工智能技术。

二、研究现状

当前,全球脑科学研究主要集中在基础研究、应用研究、研究技术开发三个方面。在基础研究方面,全球每年发表约10万篇脑科学相关科研论文,研究阵营也逐渐由美欧两极向美欧亚三极转变,其中中日韩已成为亚洲地区最具实力的脑科学高地。在应用研究方面,全球每年脑科学相关专利申请量不足份,且呈逐年下降趋势,这说明当前脑科学仍以基础研究为主,还没有进入广泛应用阶段。在研究技术开发方面,主要以神经医学和脑图谱、脑成像等为主。

(一)发展综述

近五年来,全球脑科学在学科建设、技术创新、研究机构建设、资金投入等方面均取得了重大进展。

一是学科建设硕果累累。哈佛大学、斯坦福大学、伦敦大学学院、加州大学旧金山分校、麻省理工学院、哥伦比亚大学、牛津大学、宾夕法尼亚大学、圣路易斯华盛顿大学、约翰霍普金斯大学位列世界神经科学本科教育前十,专业教育水平遥遥领先。中国开设神经科学本科专业的院校已逾百所,北京大学、清华大学、上海交通大学、中国农业大学、南京大学、中国科学技术大学、武汉大学走在世界前列。

二是研究成果缤彩纷呈。五年来,全球公开发表的论文总量超45万篇,申请的专利总量近2万份。美国以15万篇科研论文、余份专利申请量位居全球首位。中国的脑科学研究虽处于起步阶段,但北京、上海已具有在全球脑科学尖端领域竞争的能力。

三是研究机构规模庞大。美国是神经科学领域的超级大国,其神经科学实验室数量已达到惊人的余个,是中国类似实验室数量的10倍。欧洲的英国、德国、荷兰、瑞士、法国,北美的加拿大,亚洲的以色列、日本、韩国,也是神经科学领域研究机构的聚集地。

四是资金投入持续加码。世界各主要经济体对脑科学发展的扶持力度不断加码。进入21世纪以来,美国对神经科学(脑科学)的扶持资金超20亿美元/年9,欧盟、英国、法国、加拿大、日本和韩国也加大了投资力度。上述几个经济体每年支持神经科学的资金规模超30亿美元/年,十分可观。

(二)研究现状

目前,中国脑科学研究发展迅速,但与发达国家相比,在论文发表、专利申请等领域仍然有较大差距。这从中美两国在脑科学领域的学术交流情况便可见一斑:年,参加第49届美国神经科学学会年会(SFN)的嘉宾有3万余名,来自全球80多个国家,而参加中国神经科学学会年会的嘉宾仅有多人。

1.全球

全球在脑科学领域发表论文数量的增长率,在~5年、~年出现过两个峰值;在~年虽有下滑,但仍达到了19.2%,说明该领域研究热度始终不减,如图2-1所示。

~年,全球脑科学领域相关论文发表量超过45万篇。其中,美国在论文发表量、总被引频次、CNS及其子刊论文数、ESI高水平论文数、专利申请量等指标上均远超德国、加拿大、日本、意大利、法国、澳大利亚、英国和中国,居于世界霸主地位,如表2-1所示。而在高质量论文方面,美国则逊色于其他国家。

2.中国

目前,中国脑计划已经取得多项世界级的重大研究成果。年,北京大学研制成功重量仅为2.2克的新一代微型化双光子荧光显微镜,该显微镜可佩戴在动物的头部颅窗上,实时记录数十个神经元、上千个神经突触的动态信号,性能优于美国脑科学计划核心团队研发的微型化宽场显微镜。

同年,华中科技大学的骆清铭教授带领团队成功研发出高通量双色精确成像技术,实现以细胞水平的高分辨率对整个小鼠脑进行3D成像和重建。年,清华大学戴琼海院士领衔的科研团队研制出新型超宽视场、高分辨率实时显微成像仪器(RUSH),具有1厘米×1.2厘米宽视场、纳米高分辨率、30帧/秒高帧率、1.69亿像素/帧的高时空分辨率多维连续成像能力,可将活体动物脑神经观测数据通量由万像素/秒提升至50亿像素/秒,实现了兼顾“全局形态”和“细节特征”的多尺度观测。

年,华中科技大学的骆清铭教授团队将单突触狂犬病病*示踪剂与荧光微光学切片断层扫描相结合,生成了对雄性小鼠mPFC中GABA能中间神经元的直接远程输入的全脑图谱。该研究成果发表在国际顶尖杂志《NatureNeuroscience》上。

中国在脑科学领域发表论文数量的增长率,在~年、~年出现过两个峰值,在~年仍达到了41.2%,远超同期全球19.2%的水平,说明最近五年中国脑科学研究一直处于朝气蓬勃阶段,如图2-2所示。

~年,中国在脑科学领域共发表论文篇,远低于同期美国的近15万篇,如图2-3所示;申请专利项,也远低于同期美国的项,如图2-4。这说明从论文发表和专利申请的角度,中国在脑科学领域与美国的差距十分巨大。年,受新冠肺炎疫情影响,中美两国在脑科学领域发表文章和申请专利的数量均出现了下滑。

图2-3~年中美两国在脑科学领域发表论文数量的对比

图2-4~年中美两国在脑科学领域申请专利数量的对比

(三)研究机构

从~年全球脑科学领域“发表论文量排行”与“专利申请量排行”两个指标,便可窥得当前全球脑科学领域的主要研究机构。

1.全球

~年,全球前11大脑科学领域论文发表机构主要分布在美国、加拿大、英国和中国。其中,美国有7家,分别是哈佛大学、约翰霍普金斯大学、宾夕法尼亚大学、加州大学旧金山分校、加州大学洛杉矶分校、加州大学圣地亚哥分校、斯坦福大学;加拿大有2家,分别是多伦多大学和麦吉尔大学;英国的伦敦大学学院和中国的中国科学院也已上榜,如表2-2所示。

~年,全球脑科学领域主要专利申请人以高校、生物医药企业为主,高校有加州大学、约翰霍普金斯大学、德克萨斯大学、利兰·斯坦福初级大学,生物医药企业有IMMATICS生物、诺华公司、霍夫曼罗氏公司、布里斯托尔·迈尔斯·斯奎布公司、基因泰克公司和艾伯维公司,如表2-3所示。其中,企业专利申请量是高校专利申请量的1.4倍,可见企业是脑科学领域专利申请的主力*。

2.中国

目前,中国在脑科学领域已经形成了三大类研究主体。一是以上海脑科学与类脑研究中心、北京脑科学与类脑研究中心为代表的中国脑计划南北两个中心;二是以复旦大学脑科学前沿科学中心、浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心为代表的教育部前沿科学中心11;三是国内高校和科研院所成立的各类研究机构,如清华大学、北京大学、北京师范大学、中科院深圳先进技术研究院与IDG共建的麦戈文脑科学研究院。这些研究单位每年吸引大批海外脑科学人才回国,促进了中国脑科学研究的大发展。中国脑科学研究机构分布参见图2-5。

~年,中国在脑科学领域的主要论文发表机构以医学院为主,高校和科研院所的论文发表量偏少,如表2-4所示。

~年,中国在脑科学领域的专利申请量总体偏少,与美欧发达国家相比尚有很大差距。在前15名(Top15)专利申请机构或个人中,科研机构为中国贡献了71.8%的专利量,企业贡献了21.4%的专利量,个人贡献了6.8%的专利量,这充分说明中国在脑科学领域的研究仍以基础研究为主,且部分领域已进入产业化应用阶段。如表2-5所示。

三、应用现状

(一)应用现状综述

脑科学的重要性毋庸置疑,其研究成果的应用推广对全人类来说意义非凡。但目前其应用领域还十分有限,主要有两大方面,一是在脑科学促进学科融合发展方面,脑科学与其他学科之间不断交叉拓展、向纵深融合,催生了新兴学科、新兴科技的诞生和繁荣,如神经教育学、脑机接口的兴起;二是研究成果直接应用于其他领域,如仿生科技、人工智能、医疗、*事等。

(二)脑科学主要应用领域

1.脑机接口

脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接,从而实现脑与设备的信息交换。脑机接口技术主要应用于人机交互、革命性假肢(神经控制假肢)、神经预测与新兴疗法、恢复主动记忆和RAM重播、神经工程系统设计、下一代非侵入性神经技术等领域。

在人机交互领域,主要应用包括语音交互、智能操控、真人与虚拟影像互动等。神经科学家菲尔·肯尼迪(PhilKennedy)曾研发“侵入式”脑机接口,让一位严重瘫痪的病人用大脑控制电脑光标以打字“发声”,通过回答“是”或“否”实现人机交流沟通。

在革命性假肢(神经控制假肢)领域,美国国防部高级研究计划署(DARPA)“革命性假肢”计划已经改造多款世界上最先进的假肢。这些假肢可以通过线路对手指和脚趾的动作产生反应。下一步,这些假肢将会与佩戴者的神经系统整合在一起,完全能够对各种神经信号作出反应。

在神经预测与新兴疗法领域,研究人员把个体大脑信息与其他数据融合,进行大数据分析,并实现个性化的神经预测,主要包括智力测验、认知障碍分析、脑疾病诊断等,甚至包括犯罪倾向预测等。通过对眼窝前额皮质进行开环的神经刺激,来调节与抑郁相关的大脑子网,从而缓解中度和重度抑郁。

在恢复主动记忆和RAM重播领域,主要是开发和测试用于人类临床的无线、完全可植入的闭环神经接口系统。该接口能够感知由损伤引起的记忆缺陷,并提供针对性的神经刺激以恢复正常的记忆功能,从而帮助因疾病或创伤导致记忆力减退的患者恢复记忆。

在神经工程系统设计领域,通过开发一款可植入的神经接口,能够在大脑和计算机之间建立超过万个神经元级别的双向通信系统,并提供空前的信号分辨率和数据传输带宽。在下一代非侵入性神经技术领域,通过开发新一代的高分辨率非侵入式双向脑机接口,可同时写入和读取多个脑位点的信息,提高士兵与武器装备的高水平交互能力,以及士兵的超级认知、快速决策和脑控武器装备等超脑和脑控能力。2.仿生科学仿生学就是在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科,例如信息接受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等。仿生学与神经科学交叉融合,诞生了许多新兴科研领域和科技成果,如疏通血栓的微型机器人即将进入临床应用,能够杀死癌细胞的微型机器人也已研发成功等。

3.人工智能

脑科学与类脑科学(智能)是人工智能发展的基础。目前,全球人工智能研究正向机器智能进化,但仍有很多技术难题需要克服,如机器人还不够灵活,仿真模拟仍没有达到人类那样的协调性和灵活性,还需要大规模的高质量数据样本进行更加精确的计算。人工智能仍缺乏高级认知能力和深度学习能力,尤其在可解释性、推理、举一反三等方面,与人脑的学习能力相比还有巨大的差距。现有算法与期望结果之间的差距,迫切需要对脑科学进行更加深入和精准的研究。

4.医疗领域

目前,包括各种神经类和精神类疾病在内的脑相关疾病,已经超过心血管病和癌症成为人类健康最大的威胁。例如,婴幼儿脑发育障碍所导致的癫痫、中风、自闭症,青壮年人群中的抑郁症、躁狂症,老年人神经退行性疾病,颅脑创伤后的应激综合征、植物人状态、神经损伤修复等。

脑科学的快速发展,为科学家研制新的治疗药物和治疗策略提供了可能。例如,依据抑郁症病理机制,研发出抗抑郁有效药物——谷氨酸受体(NMDAR)抑制剂氯胺酮;通过靶向大脑中的小胶质细胞,实现神经保护和再生,帮助修复和减轻因脑损伤引起的认知缺陷;通过运动诱导AHN、提高脑源性神经营养因子(BDNF)水平,可以预防阿尔茨海默病;使用神经营养因子或结合辅助药物治疗帕金森病。

5.教育领域

脑科学领域的大脑神经突触生长呈倒U状模型学说、智力可塑性学说、多元智能理论和“情感智力”理论等,激发了人们对传统教育的反思。一方面,脑科学的发展推动着教育观、教育方式和教育体系的转变12。教学过程就是学生脑智力开发的过程。教育必须适应学生身心特点和规律,教学活动必须根据青少年智力发展情况来开展。科学地进行早期教育和学校教育,才能更好地促进学生脑发育,达到更好的教学效果。另一方面,脑科学的研究成果也推动着教育评价体系的转变。不同类型的脑智能是学生个性化发展的基础,不能用单一的标准对学生进行评价。新型教育评价方式和评价体系的创建,既有助于学生素质的全面发展,又能使学生的特长得到充分挖掘和发展,并使学生保持良好的心态和进取精神,最大限度地预防、减少和精准干预学生的心理障碍和心理疾病。

6.*事领域

脑科学在*事领域的应用直接关系到国家安全。其在*事领域的应用主要包括四个方面13:研制类脑*用机器人,以提升*事实力,并有效降低*事投入中的人员损耗;研发脑控武器装备,以更加智能的方式操控武器;云控制敌方大脑,扰乱敌方大脑功能,甚至反指导敌方的*事行动;开发*事智联网和脑联网,通过脑机接口技术实现大脑与外界的信息交流和控制,开启人机、人人、物物、人物互通有无的智联时代。

美国国防部在以杜克大学神经工程中心为代表的全美6个实验室中开展了“思维控制机器人”研究,美国国防部高级研究计划局(DARPA)则开展了名为“阿凡达”的尖端*事科研项目,旨在扩展人类机能,控制进攻性武器。此外,“仿脑”技术的问世将大幅提高无人系统的智能化水平,为包括“作战云”服务、*用机器人在内的多个领域带来颠覆性变革。

未来,人们或可开发出基于脑联网的脑脑协同作战平台,实现战场感知、后勤保障、武器装备与指挥系统的高度优化与集成。从而使各作战环节和指挥效能得以最大限度地发挥,在瞬息万变的战场态势中捕获稍纵即逝的先机,实现出奇制胜。

四、发展趋势

随着脑科学的快速发展,全球需在信息共享、风险防范和道德伦理等方面加强合作,为脑科学创造更加健康有序、和谐稳定的发展环境。

(一)绘制高分辨率脑图谱将是脑科学研究的重要方向

脑图谱绘制将向微观和宏观两个方向延伸。在微观层面,通过绘制人脑细胞结构图谱,已从人类大脑皮层“颞中回”鉴定出75种兴奋性和抑制性神经元;通过重建多个神经元并追踪其在大脑中的分支路径,构建了最大的神经元数字集合。在宏观层面,模拟出完整的小鼠脑图谱,建立了脑细胞分子、解剖和生理注释的3D通用脑细胞图集,构建了小鼠大脑综合神经环路图;已绘制出人类小脑的高分辨率图谱。除此之外,脑科学与人工智能技术融合,为建立从机器感知、机器学习到机器思维、机器决策的颠覆性模型和工作方式提供了可能。

(二)类脑芯片将成为信息技术的重要发展方向

信息技术的快速发展为脑科学研究提供了强大的支撑工具,脑科学的进步反过来又会推动相关信息技术的发展。例如,近年来类脑计算成为信息技术的重要发展方向,以人脑为原型的类脑芯片逐渐成为研究热点。这就需要研发基于非常规计算的芯片架构,使芯片具备类脑功能,以满足新型智能体的脑机融合需求。构建类脑计算机不仅有助于更加高效地处理、利用海量脑数据,从而更好地实现脑机融合,进一步完善类脑芯片的设计与实现,研发基于非常规计算架构、具备类脑功能的、新型的智能体与机器人。

(三)治疗脑疾病的新方法将受到资本市场的青睐

目前,脑科学的产业化应用主要有三个方向,一是神经监测与成像检测,二是神经疾病治疗与调节,三是脑控制与模拟。其中,治疗脑疾病的新型药物无疑将极大造福人类,因而受到资本市场的青睐。近十年来,脑科学领域的融资活动主要集中在脑疾病治疗与药物研发、脑信息监测与检查两大方向。如美国蒙特利医疗公司(MonterisMedical)开发了可帮助外科医生消融脑肿瘤或脑部病变组织的NeuroBlate系统,因而受到资本市场的追捧,融资金额已超过1.2亿美元。

(四)加强国际合作是推动脑科学健康发展的重要途径

为推动各国脑计划协同合作,美国、欧盟、日本、中国、加拿大、澳大利亚、韩国于年组建了国际脑科学计划(InternationalBrainInitiative,IBI)组织。

年3月,中国科技部在上海主办了IBI的国际脑科学计划协调会议。与会各国研讨了IBI的发展方向、运行模式和实施路径,就推动脑科学国际合作、促进脑科学新发现与技术进步、提升人类福祉等问题进行了探讨。未来,IBI将建立有利于研究成果转化应用的创新合作机制,重视人脑与认知相关的数据隐私及多方数据共享,建立符合科学伦理的监管机制,推动脑科学领域成果的教育与普及。

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