1. 腦科學(xué)
1.1. 腦科學(xué)是研究大腦結(jié)構(gòu)與功能的交叉學(xué)科
1.2. 腦科學(xué)研究有助于理解大腦的認(rèn)知機(jī)制，提高腦部疾病診治水平，同時(shí)也是諸多前沿科技發(fā)展的基礎(chǔ)，如人工智能、腦機(jī)接口、信息科學(xué)、仿生科學(xué)等
1.3. 神經(jīng)科學(xué)與技術(shù)和計(jì)算的交叉領(lǐng)域出現(xiàn)諸多新進(jìn)展，創(chuàng)新的神經(jīng)成像技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)步及光學(xué)方法為研究大腦功能打開了新的窗口，為腦部疾病的致病機(jī)制提供了更深入的見解，同時(shí)也為下一代人工智能的發(fā)展提供了全新思路，以進(jìn)一步彌合人類與機(jī)器智能之間的差距
2. 重要進(jìn)展
2.1. 用于捕捉大腦活動(dòng)的工具箱持續(xù)擴(kuò)充
2.1.1. 美國(guó)哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）開發(fā)出可將神經(jīng)實(shí)時(shí)成像轉(zhuǎn)化為視聽形式的方法，為識(shí)別和分析大規(guī)模、復(fù)雜的大腦實(shí)時(shí)活動(dòng)提供了新穎、直觀的方法
2.1.2. 中國(guó)開發(fā)出實(shí)感智能計(jì)算-控制平臺(tái)，可快速提取并實(shí)時(shí)分析斑馬魚全腦神經(jīng)元活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元集群活動(dòng)的閉環(huán)調(diào)控，標(biāo)志著基于全腦單細(xì)胞光學(xué)成像的虛擬現(xiàn)實(shí)、光遺傳調(diào)控等技術(shù)在腦科學(xué)閉環(huán)研究領(lǐng)域的應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步
2.1.3. 美國(guó)麻省理工學(xué)院開發(fā)出對(duì)人腦半球完整成像的新技術(shù)平臺(tái)，能在多尺度上同時(shí)捕獲大規(guī)模人腦組織中的蛋白質(zhì)表達(dá)、細(xì)胞形態(tài)、神經(jīng)投射和突觸分布
2.1.4. 清華大學(xué)研發(fā)出新一代介觀活體顯微儀器RUSH3D，在連接微觀與宏觀世界的介觀尺度上，取得了對(duì)哺乳動(dòng)物大腦三維動(dòng)態(tài)觀測(cè)的重大突破，為神經(jīng)科學(xué)、腫瘤學(xué)和免疫學(xué)等領(lǐng)域提供了新的研究工具
2.1.5. 瑞典開發(fā)出顯微鏡方法TRISCO，能夠以細(xì)胞級(jí)分辨率對(duì)完整的小鼠大腦進(jìn)行詳細(xì)的三維RNA分析，為深入了解大腦的復(fù)雜性開辟了新途徑，或?qū)⒏淖儗?duì)正常和疾病狀態(tài)下大腦功能的理解
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2.1.6. 美國(guó)康奈爾大學(xué)為實(shí)驗(yàn)室小鼠開發(fā)出用于大腦研究的VR眼鏡MouseGoggles
2.1.6.1. 能夠?yàn)樾∈筇峁┥砼R其境的體驗(yàn)
2.1.6.2. 捕捉其大腦活動(dòng)的熒光圖像，助力人們研究哺乳動(dòng)物在環(huán)境中移動(dòng)時(shí)發(fā)生的大腦活動(dòng)，有望為阿爾茨海默病等疾病提供新的見解
2.2. 大腦功能和機(jī)制的新見解為腦部疾病治療奠定基礎(chǔ)
2.2.1. 美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)（Washington University in St.Louis）發(fā)現(xiàn)下丘腦中的一種神經(jīng)元亞群能夠通過“下丘腦-脂肪組織”信號(hào)通路調(diào)控小鼠的衰老和壽命，激活并維持該信號(hào)通路可顯著減緩衰老、延長(zhǎng)壽命
2.2.2. 德國(guó)提出了人類大腦功能障礙連接組的概念及大腦功能失調(diào)網(wǎng)絡(luò)圖譜，將成為治療相關(guān)大腦疾病的重要參考依據(jù)
2.2.3. 美國(guó)揭示了18種靈長(zhǎng)類動(dòng)物的基因表達(dá)與大腦進(jìn)化之間的聯(lián)系并生成圖譜，助力人們更深入地了解與大腦認(rèn)知和新陳代謝相關(guān)的大腦功能
2.2.4. 美國(guó)創(chuàng)建出迄今最大突觸分辨率的人類大腦皮層1立方毫米片段的圖譜，為在超細(xì)胞、細(xì)胞和亞細(xì)胞水平上觀察腦組織提供了獨(dú)特視角
2.2.5. 英國(guó)首次確定了大腦內(nèi)精細(xì)調(diào)節(jié)頭部方向的信號(hào)，為探索大腦導(dǎo)航和定向能力開辟了新途徑
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2.2.6. 美國(guó)博德研究所制作出迄今最大、最先進(jìn)的多維基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖譜
2.2.6.1. 詳細(xì)介紹了大腦發(fā)育不同階段和多種大腦疾病的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)
2.2.6.2. 促進(jìn)了對(duì)精神分裂癥、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙和抑郁癥等精神障礙的理解
2.2.6.3. 有助于確定精神疾病新療法的潛在分子靶點(diǎn)
2.2.7. 美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了快速檢測(cè)面部的大腦回路，有助于解釋靈長(zhǎng)類動(dòng)物如何感知和識(shí)別面孔，增進(jìn)對(duì)孤獨(dú)癥等疾病的理解
2.2.8. 韓國(guó)開發(fā)出磁遺傳學(xué)技術(shù)，首次使用磁場(chǎng)對(duì)大腦深處特定神經(jīng)回路進(jìn)行無線遠(yuǎn)程精確調(diào)控，助力人們揭示認(rèn)知、情感和動(dòng)機(jī)等高級(jí)大腦功能的秘密，為神經(jīng)疾病提供新療法
2.2.9. 美國(guó)首次揭示了大腦如何學(xué)習(xí)和執(zhí)行任務(wù)及應(yīng)對(duì)不斷變化的情況，有助于治療和干預(yù)與記憶、決策缺陷有關(guān)的神經(jīng)和精神疾病
2.2.10. 中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)秀麗隱桿線蟲大腦、身體與環(huán)境的閉環(huán)仿真，為研究大腦與行為之間的神經(jīng)機(jī)制提供了重要平臺(tái)
2.3. 腦部疾病治療領(lǐng)域迎來更多創(chuàng)新解決方案
2.3.1. 美國(guó)開發(fā)出基于腦深部電刺激的微創(chuàng)療法，使用極小的磁鐵無線觸發(fā)大腦中特定的基因編輯神經(jīng)細(xì)胞，在不損傷周圍腦組織的前提下，有效緩解帕金森病小鼠的運(yùn)動(dòng)功能障礙
2.3.2. 澳大利亞昆士蘭大學(xué)（University of Queensland）在小鼠模型上使用超聲掃描技術(shù)，觀察到小鼠記憶力得到明顯提升，這意味著超聲波能在大腦中引發(fā)持久的認(rèn)知改善，有望應(yīng)用到使用非侵入性超聲治療阿爾茨海默病的安全性試驗(yàn)中
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2.3.3. 美國(guó)開發(fā)出可無線供電的植入式腦刺激器，稱為數(shù)字可編程超腦治療
- 2.3.3.1. 相較目前的神經(jīng)刺激療法可提供更大的患者自主權(quán)和可及性，為徹底改變耐藥性抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供侵入性更小的治療方案
2.3.4. 美國(guó)利用改造后的弓形蟲把分子量大于100千道爾頓的大型蛋白質(zhì)MeCP2遞送到神經(jīng)元，用于治療雷特綜合征
2.3.5. 美國(guó)開發(fā)出新型基因療法，可通過磁場(chǎng)非侵入方式精確控制特定大腦回路，為神經(jīng)科學(xué)研究和帕金森病、抑郁癥、肥胖癥等疾病治療提供了新途徑
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2.3.6. 美國(guó)開發(fā)出“分子GPS”（molecular GPS）技術(shù)
2.3.6.1. 能夠引導(dǎo)免疫細(xì)胞特異性地定位到大腦，在不損傷周圍健康組織的情況下有效殺死腫瘤
2.3.6.2. 在多發(fā)性硬化癥的小鼠模型中實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦炎癥的有效抑制，為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了新的思路和工具
2.4. 類腦器官提供了研究大腦功能、發(fā)育和疾病的強(qiáng)大工具
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2.4.1. 美國(guó)開發(fā)出人腦類器官模型hCerOs（Human Cerebellar Organoids）
- 2.4.1.1. 首個(gè)具有功能性神經(jīng)元的全人源小腦類器官，為進(jìn)一步研究人類小腦發(fā)育、穩(wěn)態(tài)和疾病提供了全新的平臺(tái)
2.4.2. 荷蘭首次利用人類胎兒腦組織開發(fā)出大腦類器官，并使用基因編輯技術(shù)在模型中模擬腦癌，有助于理解兒童腦癌和神經(jīng)發(fā)育疾病，以及進(jìn)行癌癥藥物開發(fā)和特定基因突變研究
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2.4.3. 美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校首次3D打印出功能性人類腦組織
- 2.4.3.1. 可像人腦組織一樣生長(zhǎng)和發(fā)揮作用，對(duì)研究大腦及治療神經(jīng)系統(tǒng)和神經(jīng)發(fā)育障礙疾病具有重要意義
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2.4.4. 美國(guó)構(gòu)建出一種富含星形膠質(zhì)細(xì)胞的新型人類大腦類器官模型
2.4.4.1. 有助于阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究
2.4.4.2. 可用于探索星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)大腦功能的影響方式，以及在阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病中如何應(yīng)對(duì)壓力和炎癥
2.4.5. 美國(guó)模擬了Tau蛋白（Tubulin Associated Unit）聚集體在大腦內(nèi)的傳播，這一過程會(huì)導(dǎo)致阿爾茨海默病和額顳葉癡呆癥患者認(rèn)知能力下降
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2.4.6. 復(fù)旦大學(xué)開發(fā)出冷凍保存方法MEDY（Methylcellulose，Ethylene glycol，DMSO，and Y27632）
2.4.6.1. 能夠保存腦類器官和人類腦組織且不破壞神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)或功能，并用其成功復(fù)活冷凍了18個(gè)月的人類大腦
2.4.6.2. 是低溫技術(shù)領(lǐng)域的重大突破，為改進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究方法鋪平道路
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2.4.7. 美國(guó)開發(fā)出全球首個(gè)包含全功能血腦屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）的人類“迷你”大腦
- 2.4.7.1. 直徑略超4毫米的“BBB組合體”，可重現(xiàn)人腦中許多復(fù)雜的神經(jīng)血管相互作用，還能反映出可能導(dǎo)致血腦屏障功能障礙的基因變異和其他疾病，有望增加對(duì)多種腦部疾病的理解并改善治療方法
2.4.8. 天津大學(xué)構(gòu)建出類器官-腦機(jī)接口（OBCI），為腦損傷修復(fù)帶來全新思路，未來有望治療神經(jīng)退化、癲癇等更多腦部疾病
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2.4.9. 挪威開發(fā)出可模擬線粒體功能衰竭引起的疾病過程的大腦類器官
2.4.9.1. 能夠幫助科學(xué)家實(shí)時(shí)觀察疾病進(jìn)展，測(cè)試個(gè)性化療法，并確定新的藥物靶點(diǎn)
2.4.9.2. 為治療如癲癇等嚴(yán)重腦部疾病開辟了新的途徑，還可能徹底改變我們對(duì)其他復(fù)雜腦部疾病的了解
3. 腦機(jī)接口和類腦計(jì)算
3.1. 腦機(jī)接口和類腦計(jì)算在學(xué)科交叉與突破創(chuàng)新中蓬勃發(fā)展
3.2. 腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)不斷發(fā)展
3.2.1. 隨著神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的進(jìn)步，腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁
3.2.2. 美國(guó)合作進(jìn)行的腦機(jī)接口植入手術(shù)創(chuàng)下在活人腦中放置電極數(shù)量最多的世界紀(jì)錄，達(dá)到4096根，超過該公司去年放置2048根電極的紀(jì)錄
3.2.3. 英國(guó)男孩奧蘭·諾爾森（Oran Knowlson）成為全球首位接受顱內(nèi)植入電子設(shè)備來控制癲癇發(fā)作的患者
3.2.4. 北京天壇醫(yī)院利用微創(chuàng)無線腦機(jī)接口幫助高位截癱患者成功實(shí)現(xiàn)意念控制光標(biāo)移動(dòng)，成為中國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域的又一個(gè)突破性進(jìn)展
3.2.5. 南開大學(xué)成功實(shí)施全球首例介入式腦機(jī)接口傳感器血管內(nèi)取出試驗(yàn)，標(biāo)志著介入式腦機(jī)接口技術(shù)的安全性有了重要提升，為該技術(shù)的臨床應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)保障
3.3. 下一代腦機(jī)接口正在迎來進(jìn)一步技術(shù)升級(jí)
3.3.1. 腦機(jī)接口技術(shù)正在向無線、微創(chuàng)方向迅速邁進(jìn)
3.3.2. 美國(guó)開發(fā)出一種神經(jīng)植入物，可讀取大腦外層神經(jīng)元的電信號(hào)，了解大腦內(nèi)部深處的活動(dòng)信息。該成果距離建立高分辨率的微創(chuàng)腦機(jī)接口又近了一步
3.3.3. 美國(guó)開發(fā)出帶有數(shù)十個(gè)傳感器的神經(jīng)探針，可穩(wěn)定記錄大腦中單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)數(shù)，或?qū)⒏淖兡X機(jī)接口的生物電子學(xué)設(shè)計(jì)
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3.3.4. 韓國(guó)利用Transformer構(gòu)建出尖峰重建機(jī)器學(xué)習(xí)模型Spk-Recon
3.3.4.1. 可從低頻神經(jīng)元信號(hào)中重建準(zhǔn)確尖峰，尖峰排序的聚類精度超96%
3.3.4.2. 能更深入地分析和控制大腦功能，為開發(fā)下一代腦機(jī)接口開辟新方向
3.3.5. 韓國(guó)可為被試者提供適應(yīng)其顱骨和大腦形狀的定制配置，為腦機(jī)接口提供了生物適配的可定制的配置
3.3.6. 美國(guó)用聚合物頭骨替代材料在人類頭骨上設(shè)計(jì)了一種“定制窗口”，允許透過人類頭骨進(jìn)行功能超聲成像，從而大規(guī)模捕獲高分辨率圖像，為腦機(jī)接口發(fā)展提供了侵入性較小的方法
3.3.7. 美國(guó)開發(fā)出具有高時(shí)空精度的非侵入性“經(jīng)顱聚焦超聲”技術(shù)，顯著減少了腦機(jī)接口拼寫器任務(wù)的錯(cuò)誤，最大限度地提高了腦機(jī)接口處理、解碼信號(hào)的性能，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)腦機(jī)接口的性能突破
3.3.8. 美國(guó)開發(fā)出新的腦機(jī)接口，在系統(tǒng)激活后幾分鐘內(nèi)將一名肌萎縮側(cè)索硬化癥患者的大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為語音，準(zhǔn)確率高達(dá)97%，創(chuàng)下同類系統(tǒng)準(zhǔn)確率的最高紀(jì)錄
3.3.9. 美國(guó)開發(fā)出一種新型液體墨水技術(shù)，可將墨水直接打印在患者頭皮上，以測(cè)量大腦活動(dòng)，有望應(yīng)用于非侵入性腦機(jī)接口
3.3.10. 美國(guó)開發(fā)生物混合神經(jīng)（腦機(jī)）接口技術(shù)，將高度工程化的干細(xì)胞衍生神經(jīng)元嵌入電子器件中，在體外培育后植入大腦，與大腦形成新的生物學(xué)連接，將帶來可避免導(dǎo)線損傷和限制大腦的全新侵入式腦機(jī)接口技術(shù)路徑
3.4. 類腦設(shè)備運(yùn)算能效大幅提升
3.4.1. 荷蘭構(gòu)建出基于人腦內(nèi)的介質(zhì)水和鹽的新型人造突觸，不僅能模仿人腦的通信模式，還能利用相同介質(zhì)，為造出能更真實(shí)再現(xiàn)人腦非凡能力的計(jì)算系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)，有望研制出類腦計(jì)算系統(tǒng)
3.4.2. 清華大學(xué)構(gòu)建出一款新的腦啟發(fā)AI模型CTCNet（Cortico-Thalamo-Cortical Neural Network），實(shí)現(xiàn)了混合語音分離技術(shù)突破，讓計(jì)算機(jī)進(jìn)一步學(xué)會(huì)像人腦一樣“聽話”，為計(jì)算機(jī)感知信息處理提供了新的腦啟發(fā)范例，有望在智能助手、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用
3.4.3. 瑞士構(gòu)建出一款新的腦啟發(fā)AI模型CTCNet（Cortico-Thalamo-Cortical Neural Network），實(shí)現(xiàn)了混合語音分離技術(shù)突破，讓計(jì)算機(jī)進(jìn)一步學(xué)會(huì)像人腦一樣“聽話”，為計(jì)算機(jī)感知信息處理提供了新的腦啟發(fā)范例，有望在智能助手、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用
3.4.4. 天津大學(xué)開發(fā)出全球首個(gè)可開源的片上腦-機(jī)接口智能交互系統(tǒng)MetaBOC，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)“大腦”對(duì)機(jī)器人避障、跟蹤、抓握等任務(wù)的無人控制，完成了多種類腦計(jì)算的啟發(fā)工作
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3.4.5. 美國(guó)創(chuàng)造出裝有人造大腦的虛擬老鼠
- 3.4.5.1. 利用真實(shí)老鼠的數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用作虛擬老鼠的“大腦”，以操控物理模擬器里的虛擬老鼠，可能為設(shè)計(jì)更先進(jìn)的機(jī)器人控制系統(tǒng)鋪平道路
