【国重实验室与脑科学】4个国家重点实验室、115位研究人员,脑科学研究的星辰大海

作者: 周梦亚 2022-09-13 10:18


发布第一篇“医疗相关国家重点实验室”盘点文章后,橙果局收到了诸多来自国内早期投资机构、企业BD部门的反馈。产业界对这些实验室的关注让橙果局更加坚定的认为,“医疗国家重点实验室”相关的文章有必要系统性的做下去,仅仅一篇浅薄的描述,无法展现出这些顶级实验室的实力与研究重点。


因此,在接下来的日子里,橙果局将逐步以行业为单位,继续对“医疗相关国家重点实验室”进行进一步的分析。“行业与国家重点实验室”的第一篇,从脑科学开始。


人脑是自然界最复杂的系统,1000亿个神经元、500万亿个突触,以及氨基酸、多肽和蛋白质所构成的神经递质等多种复杂因子构成了这个高级认知的器官,赋予了人类智慧、学习能力和可塑性。

 

同时,大脑相关的疾病也是复杂的。大多数重大脑部疾病都源于脑功能网络的某种病变,由于缺乏对发病机制和神经认知机制的认知,大多数脑部疾病缺乏有效的诊疗手段。迄今为止,在人类生命体的研究中获诺贝尔奖最多的是脑科学,但大脑这个由上千亿神经细胞组成的器官与人体的关联至今还未被完全参透。

 

在此背景下,脑部疾病成为重大医疗健康和社会问题。据统计,全球脑疾病患者约占全部疾病的11%,社会负担接近人类疾病总负担的30%。其中,我国各种脑疾病患者人数近1.3亿,其中阿尔茨海默症983万,12岁以下自闭症儿童超过200万(每年新增20万),抑郁症患者超过5000万。已成为重大公共卫生问题、社会问题和民生问题。

 

于是,脑科学成为了各国的研究重点。从2013年开始,美国、欧盟及日本陆续开展脑科学计划:欧盟率先启动10亿欧元的“人脑计划”;随后,美国也新增45亿美元的“脑计划”。脑科学也被认为是人类未来一百年最重要的两大前沿之一。

 

脑科学也是43个医疗相关的国家重点实验室中,重要的研究方向。43个国家重点实验室中,专注脑科学方向的有4个实验室。

 

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四个实验室的固定人员累计超过230个,研究方向覆盖脑认知到类脑技术。我们从中筛选统计了115位研究人员的主要研究方向,得出如下结论:

 

一、脑认知研究最受关注,产业与科研分工明确

 

根据脑科学的研究目的和定义,我们较为笼统的将脑科学相关的研究分为三个层面:脑认知、脑保护和脑创造。

 

脑认知,即探知大脑的功能、结构及原理,包括大脑的物理构成、生物机理和工作机能。

 

脑保护,即针对脑部疾病治疗开展的发病机制探索,诊断、治疗研究。

 

脑创造,即对大脑功能进行开发或借鉴大脑功能开发技术,如类脑研究、脑机接口等。

 

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在这些研究人员的主要研究领域中,脑认知相关的研究热度几乎是压倒性的,70的科研人员正在从事该方面的研究。脑保护相关研究次之,占整体人数的27%,而脑创造相关的研究占比仅3%。

 

这背后的原因其实老生常谈,人们对大脑的认知还太少,不仅诸多脑部疾病的发病机制和发病原因不明,关于神经细胞的起源与老化、突触和神经环路形成依旧存在诸多未解之谜。

 

国家重点实验室作为科学与工程研究类国家科技创新基地,主要任务之一就是实现相关重要基础原理的创新、关键技术突破或集成;或积累基本科学数据,为相关领域科学研究提供支撑。脑认知是脑科学研究的第一步,也就自然是4个脑科学相关国家重点实验室的共同关注对象。

 

从研究的价值来看,脑认知的相关研究是脑科学的底层建筑。只有对大脑实现充分的认知,脑部疾病的治疗和预防才有迹可循。同样的,也只有满足对神经元、神经突触传递机制充分了解的情况下,类脑计算、脑机接口等脑创造技术才得以诞生和应用。

 

因此,我们可以看到科研单位和产业内的企业在脑科学的研究方向上有着明确的分工。科研单位聚焦底层的脑认知研究和应用层面的脑保护研究,而企业端则在脑创造环节呈现出多元化趋势。

 

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产业内脑科学相关企业主要业务方向

 

二、脑成像、电生理技术、多组学研究是重要手段


人脑是一个错综复杂的超级CPU,构成精巧而复杂。由于无法通过捐赠的样本获得神经信息传递和认知相关的信息,针对人脑相关的实验研究实施难度较大。这些实验数据的获取可通过侵入性和非侵入性的检测手段获取。

 

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非侵入性手段中,脑成像技术被广泛使用。通过脑成像技术,研究人员可以从外部“看到活体脑的内部”。这些脑成像方法可以帮助科研人员理解脑特定区域与其功能之间的关系,对受神经疾病影响的脑区进行定位,发明新方法治疗脑部疾病,在脑认知研究中发挥着重要作用。

 

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电生理技术是脑成像研究中比较常见的侵入性检测技术。电生理技术的优势在于可直接评估神经活动的能力、对比间接代谢信号;也可以从单个细胞到整个大脑的多空间尺度记录;甚至通过神经刺激确定因果效应。电生理技术是历史上第一个测量大脑活动的技术,可以对大脑网络中如何在生物学上实现功能性通信提供独特的见解,从而在广泛的时间范围内实现复杂的行为分析。

 

通过交叉的科学技术和方法,电生理技术为研究大脑系统的神经动力学提供了独特的途径。


而多组学分析技术则能够通过动物模型和实验样本对脑部疾病的发病机制实现更多维度的解析。部分神经退行性疾病与脑部蛋白的异常折叠、细胞分化和老化存在关系,发病机制复杂。

 

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多组学整合数据分析则能够使研究人员对疾病发生的过程和分子机制的深刻理解,从层面上的研究逐步走向完善。在整个生命科学领域,多组学整合数据分析不仅仅是数据的拼接,更是对生物学解释的深入研究,为基础生物学以及疾病研究提供新思路。

 

当然,科研人员不仅是以上技术的使用者,也是技术的发明者。一方面,他们利用成熟的成像技术去认知大脑,另一方面也通过技术创新反哺产业,以产出更优质的分析技术。

 

三、脑保护:脑部退化类疾病最受关注


脑部疾病可以分成四个大类,一是脑部退化类疾病,如老年痴呆症、帕金森综合症、震颤性麻痹和运动神经元疾病、听力衰退等等对病患身体活动能力伤害巨大的疾病;二是抑郁症、情绪问题、精神分裂等精神疾病,这类疾病对认知和情感能力造成损害;多动症、孤独症等儿童脑智发育问题;四是脑部肿瘤等代谢异常疾病。

 

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这几类疾病中,脑部退化类疾病是研究人员关注最多的。其次则是抑郁症、精神分裂等认知和精神疾病。

 

脑部退化类疾病相关研究主要围绕发病机制和药物研发展开,这些疾病大多是产业界药物研发高地。由于对疾病发病机制和发病原因认识不充分,大部分脑部退化类疾病仍然缺乏有效的诊疗方案,甚至阿尔兹海默病的药物研发至今被视为药物研发的修罗场。

 

作为重仓基础研究的科研单位,国家重点实验室对疾病认知研究的重视在情理之中。研究成果一方面是让人们对疾病有更进的认知,另一方面也是为产业内后续治疗药物(药物靶点)、诊断产品(生物标志物)的研发提供思路和依据。

 

心理和情绪疾病在早年间一度被归类为社会科学,即人们更多以为这类疾病的发生与神经认知和遗传没有太多相关性,临床诊疗也缺乏检测级别的金标准。但随着对大脑认知的深入,社会行为、情绪问题和精神疾病与神经认知展出关联。临床界和科研界都更加注重这些疾病的发生与生物层面上的关联。同时,这些关联的揭示也在为此类疾病的治疗提供支撑和证据,尤其是心理疾病的数字疗法。

 

青少年脑智发育也是国家重点实验室的重点关注方向。世界卫生组织《全球疾病负担研究》显示,5岁以下婴幼儿中每49.5人就有1人患有脑相关疾病,如自闭症、多动症、发育障碍等。在中国,早产儿筛查异常率高达18%。儿童青少年脑智发育是科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目首批5个研究方向之一。

 

四、脑创造:涉猎研究人员较少


作为脑科学研究的下游,这几个国家重点实验室中从事脑创造相关研究的科研人员数量相对较少。

 

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在目前统计到的115位研究人员中,仅医学神经生物学国家重点实验室林伟教授、宋志坚教授,脑与认知科学国家重点实验室黄龙文研究员在从事这方面的研究。几位科研人员的研究主要聚焦类脑人工智能科学虚拟现实技术在医学中的应用、计算机辅助诊断与治疗,以及行为调控与神经网络。不难看出,这些脑创造的研究其实也在反哺脑保护研究。

 

相比产业在脑创造领域研究但是多样性,国家重点实验室在脑创造的研究导向仍然是回顾到了脑保护。

 

政策、地方、科研和产业协同,脑科学研究早已启航

 

当然,国家重点实验室仅仅能反应出我国脑科学研究的一部分,自“脑科学与类脑研究”被我国“十三五”规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一以来,脑科学研究亦是国家战略。

 

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2021年,我国发布了“十四五”规划,对脑科学的重视程度有增无减。


“十四五”规划中提到瞄准脑科学等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目;并在类脑智能等前沿科技和产业变革领域组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。


2021年,期待已久的“中国脑”计划进入了实际落地阶段。科技部正式发布《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》,并于10月9日开始项目申报。该指南确定了脑科学与类脑研究重大项目以5年为周期,在2021年度将围绕脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术、类脑计算与脑机智能技术及应用、儿童青少年脑智发育、技术平台建设5个方面共59个研究方向,将由国家拨款经费概算31.48亿元。

 

在政策上,发展中国脑计划的力度有增无减,科研单位对该研究领域的覆盖也在持续扩大。

 

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北京和上海分别成立了北京脑科学与类脑研究中心和上海脑科学与类脑研究中心,并启动“脑科学与类脑智能”地区性计划,开始资助相关研究项目;高校也纷纷成立类脑智能研究中心。这使得北京和上海逐渐成为了目前我国脑科学研究最为集中的地区。

 

北京脑科学与类脑研究中心涵盖的科研单位包括:中科院、军事科学院、北京大学、清华大学、北京师范大学、中国医学科学院、中国中医科学院等。上海脑科学与类脑研究中心则涵盖中科院、复旦大学、上海交通大学、同济大学、华东师范大学、上海科技大学等。

 

此外,中科院体系对脑科学的布局亦不甘落后。除了目前,神经科学国家重点实验室、脑与认知科学国家重点实验室外,还成立了脑科学与智能技术卓越创新中心、动物模型与人类疾病机理重点实验室和脑功能与脑疾病重点实验室等。

 

2018年,教育部启动了高等学校基础研究珠峰计划(简称珠峰计划),开始在高等学校布局建设前沿科学中心。脑科学作为前沿科学自然也被纳入“珠峰计划”,教育部先后批准立项复旦大学脑科学前沿科学中心和浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心。


在地方,脑科学相关的研究统筹机构也在加紧布局。广东省便由广东省科技厅牵头,依托南方医科大学,并联合香港科技大学、香港大学、香港中文大学、香港城市大学、澳门大学和广州、深圳的大学与科研院所共16家单位联合共建了粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心;重庆市、天津市、河南省、黑龙江省和四川省等地也成立了各自的脑科学研究中心。

 

除了政府机构主导的脑科学研究机构。民营研究机构也在近年发展起来。其中,最为知名的莫过于IDG麦戈文脑科学研究院,目前该机构已与北京大学、北京师范大学学、清华大学,以中科院深圳先进院和麻省理工学院麦戈文脑科学研究所联合共建了4个脑科学研究院。

 

image.png 2008-2021年脑科学企业融资事件数量

 

在产业方面,脑科学的企业发展在2016年迎来了第一次拐点。形成了医疗级脑机接口及芯片、消费级脑机接口、机器人及手术设备、尖端科研设备、脑电传感器及相关解决方案、临床脑电大数据、脑部放射影像智能分析、数字疗法等疆域。尽管还没有诞生Neuralink这样的超级独角兽,但我国的脑科学行业已经进入一个高速发展的阶段。

 

科研端和企业端在研究分布中呈现出明显分工,科研端聚焦底层建设与应用,产业则更多布局下游。无形之中,国内的脑科学领域形成了从基础科研到应用的上下游。在政策、地方、科研端和产业端的协同下,脑科学的前景毋庸置疑。它不仅是生命科学研究的终极疆域,同样也是产业和科研的星辰大海。

 

附:115位科研人员研究方向

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文章标签 脑科学
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