前沿

中國腦計劃助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展

腦科學(xué)研究是當(dāng)今國際科技前沿領(lǐng)域的研究熱點，我國經(jīng)濟、科技、社會的發(fā)展都對神經(jīng)科學(xué)和人工智能技術(shù)有很高的發(fā)展要求，而如何將腦科學(xué)和類腦研究的成果與產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，就成為擺在科技管理部門、神經(jīng)科學(xué)研究機構(gòu)以及生物制藥和人工智能領(lǐng)域相關(guān)人員面前的一大難題。

2016年，“腦科學(xué)與類腦研究”被“十三五”規(guī)劃綱要確定為重大科技創(chuàng)新項目和工程之一。目前，“腦科學(xué)與類腦研究”作為“科技創(chuàng)新2030重大項目”啟動的4個試點之一，已進(jìn)入編制項目實施方案階段。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院上海分院副院長張旭認(rèn)為：類腦科學(xué)和類腦研究正處在重大的歷史窗口期，中國不容錯過！

神經(jīng)科學(xué)和人工智能在理論和技術(shù)上的發(fā)展和對接將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)和社會經(jīng)濟生活產(chǎn)生越來越重要的影響，對此，張旭說：“吸取了腦科學(xué)研究精華的類腦人工智能及其應(yīng)用，將給世界帶來重大的突破性變革?！?/p>

我國歷來重視神經(jīng)科學(xué)和人工智能的發(fā)展，各類規(guī)劃綱要均進(jìn)行了部署，重點布局的實驗室和研發(fā)平臺正在蓬勃發(fā)展，科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等機構(gòu)投入了大量資金，北京市和上海市政府也啟動了相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃。我國對該領(lǐng)域的主要經(jīng)費投入，從2010年的每年約3.48億元人民幣，增長到2013年的每年近5億元人民幣。

神經(jīng)科學(xué)與人工智能要從國家戰(zhàn)略落實到每一步，還存在很多問題與挑戰(zhàn)。例如，怎樣平衡基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、技術(shù)研發(fā)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用之間的關(guān)系？研究的重心應(yīng)當(dāng)放在何處？如何科學(xué)地預(yù)期科技目標(biāo)？圍繞科技目標(biāo)，如何配置經(jīng)費、項目等創(chuàng)新資源？學(xué)科之間、部門之間、地區(qū)之間、不同團隊之間的定位和協(xié)同作用如何發(fā)揮？

我國在語音識別、腦組織顯微成像等個別技術(shù)領(lǐng)域比較領(lǐng)先，但是，要在更多的領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平，還有很長的路要走。

神經(jīng)旁路系統(tǒng)治愈癱瘓

近年來，借助腦植入芯片來影響或者改善大腦活動的研究已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展?，F(xiàn)在，借助腦植入芯片來治愈癱瘓也已經(jīng)成為可能。瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)、美國哈佛大學(xué)韋斯生物和神經(jīng)工程中心、美國匹茲堡大學(xué)以及美國凱斯西儲大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的電子植入設(shè)備被認(rèn)為能夠通過無線腦—體電子元件繞過神經(jīng)系統(tǒng)的損傷來實現(xiàn)運動，有望拯救全球數(shù)百萬被癱瘓所折磨的患者。這項技術(shù)被《麻省理工科技評論》（MIT Technology Review）評為2017年“十大突破技術(shù)”之一。

研究人員通過一套“神經(jīng)旁路系統(tǒng)”，使得人們能夠用意念來控制四肢的運動。人類控制運動的中樞位于大腦皮層，全身的肌肉受到大腦皮層的支配。當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷的時候，由于信號傳遞通路被切斷，患者就會失去運動功能。由于神經(jīng)損傷很難修復(fù)，科學(xué)家試圖繞過損傷的神經(jīng)系統(tǒng)來傳遞信號。通過在患者大腦和癱瘓部位安裝芯片和電極，癱瘓部位就能夠從外部信號通路直接接收大腦的信息。例如，凱斯西儲大學(xué)團隊就曾對一個四肢癱瘓患者進(jìn)行了一次試驗。他們在患者手臂和手掌肌肉上安裝了多個電極，在大腦安裝了兩個電極陣列來控制四肢的活動，借助這個“神經(jīng)旁路”，患者可以緩慢地抬起手臂，甚至將水杯遞到嘴邊。

韋斯生物和神經(jīng)工程中心的負(fù)責(zé)人約翰?多諾霍（John Donohoe）的首要任務(wù)是制造一個超級緊湊的、能夠以網(wǎng)絡(luò)速度從大腦收集數(shù)據(jù)的無線設(shè)備，他說：“這是世界上最復(fù)雜的大腦通信器?！?/p>

未來，希望通過神經(jīng)科學(xué)家、技術(shù)人員和臨床醫(yī)生的合作，能夠盡快將這項技術(shù)商業(yè)化，幫助更多的患者恢復(fù)他們的正常生活。

培育“仿真大腦”，闡明疾病機理

大腦內(nèi)有無數(shù)的神經(jīng)元，只有每個神經(jīng)元的分裂和生長都被準(zhǔn)確地調(diào)控才有可能保證大腦有序而精密的構(gòu)造，這也是神經(jīng)傳導(dǎo)通路能夠精確傳遞神經(jīng)沖動的前提。如果這種調(diào)控機制遭到破壞，會對患者的智力造成嚴(yán)重的影響。

瑞士諾華生物醫(yī)學(xué)研究中心（NIBR）研究小組的神經(jīng)科學(xué)家阿基米特?卡卡斯（Ajamete Kaykas）和麥克斯?薩里克（Max Salick）將誘導(dǎo)多能干細(xì)胞技術(shù)和三維細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了一個微型類大腦結(jié)構(gòu)，用來研究大腦的調(diào)控機制。例如結(jié)節(jié)性硬化癥（TSC），這類疾病患者由于體內(nèi)的基因突變導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞不停地生長和分裂，破壞大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。NIBR的研究人員將TSC患者和健康人的細(xì)胞重新編程培育成神經(jīng)元，并模仿大腦皮層的結(jié)構(gòu)，這樣的器官模型能夠使科學(xué)家在類似大腦的自然三維結(jié)構(gòu)中研究TSC的發(fā)展情況，同時這個模型也可用來測試治療方法與效果。

卡卡斯說：“將人的皮膚或者血液細(xì)胞還原到胚胎干細(xì)胞的狀態(tài)繼而將其誘導(dǎo)成其他任意人體細(xì)胞這一技術(shù)，就像‘游戲規(guī)則改變者’一樣極大地改進(jìn)了我們構(gòu)建人類疾病模型的能力。”