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合成生物学“破产”后,脑科学火起来了

施懿 2023-09-03 10:00

自然中什么系统最为复杂?是大脑和宇宙。

 

宇宙有亿万星系,人脑也有数以万计的神经元,与分子、细胞共存。它们相互连接、作用,控制人类的行为,构成人类的思想。 但遗憾的是,时至今日我们仍未揭开人脑连接组的结构和功能之谜。

 

探索未知是人类的天性。脑科学研究还存在大片未知的疆域,吸引无数科研人员妄图掀起它的面纱。与此同时,现有的脑科学研究成果已经在市场端崭露头角:脑科学不仅能够为临床上的一些“不治之症”提供诊疗方案,同时还能通过模拟脑,推进科技的迭代。

 

合成生物学曾被称为是“未来科学”,一度占据创新的潮头。随着资本市场整体收缩,这门“未来科学”也遇上了寒潮。但相比之下,脑科学赛道却依旧火爆

 

一、一把从先哲时代燃起来的“火”

 

脑科学的起源,其实可以追述到亚里士多德的年代。

 

早在古罗马时期,就有先哲提出“精气”的概念,并阐释“精气存在于头部,控制人的思维与运动”——这也是脑科学最早的雏形。然而脑科学研究离不开与科学技术手段的进步,在“精气”提出的几百年间,脑科学一直处于蒙昧阶段。直到电的出现,脑科学才逐渐从“概念猜想”转为了实打实的研究。

 

近200年,是脑科学发展的高峰时期,截至2022年,有24座诺奖奖杯都落在了脑科学领域,这些奖杯也勾勒出了脑科学发展的“近代史”:神经系统基本结构发现时期、神经细胞传递信息时期、大脑感知认识时期。

 

谈到神经系统基本结构的发现,便离不开脑科学的“开山鼻祖”,Camillo Golgi和Santiago Ramon y Cajal。他们在1906年,因单一神经细胞染色技术而获得了诺奖。

 

从表面来看,这一研究似乎和脑科学并无直接关系。但其实,如果没有这项技术,后人便无法直观观测到各式各样的神经细胞活动,关于神经元的各种研究自然也就无法进行。因此,这项研究算是为脑科学打下了基础

 

在摸清脑神经的基本构造后,神经间如何传递信息成为了科研人员关注的焦点。


1936,乌贼一定是脑科学科研人员的“福星”。这一年,Henry Hallett Dale 和Otto Loewi通过观察乌贼的神经纤维发现了神经传递的方向以及作用。最终得出了神经间化学信号传递规律拿下了诺奖。

 

此后,科研人员开始尝试通过脑科学来治疗疾病。1949年,Walter Rudolf Hess通过解剖大脑,发现了大脑分区控制的秘密。这一研究直接推动脑科学在临床运用。后续,人们还逐渐发现了大脑与视力、嗅觉、听觉、运动、空间导航之间的关系。这些研究也无疑都获得了诺奖的亲睐。就连2022年的诺奖得主David Julius和Ardem Patapoutian,也是因发现热、冷和机械力触发神经冲动的规律而获奖。

 

在脑科学基础研究一次次得到突破时,脑科学的另一个分支研究也悄然发芽。那便是类脑研究。

 

类脑研究是近些年来崛起的新兴研究领域,顾名思义便是对大脑进行模拟从而引发的一系列研究。类脑研究不仅能新一轮智能技术革命,还有望变革目前的计算处理系统。同时,它还能反哺脑基础研究,加深我们对脑的认识。种种优势,都让其成为了近年国际学术界的一个重要新趋势,也成为了脑科学研究必不可少的一部分。

 

二、22个省市、45所科研院所开展了脑科学研究


当人类摸清大脑的基础构造开始,让脑科学落地便成为了科研人员的共同目标。


近几年,有关脑病诊治方案、类脑计算机研发等脑科学相关企业已如雨后春笋般涌现出来。

 

据 CB Insights 数据,大脑健康领域 2020 年的全球市场规模为62 亿美元,并将在 2024 年突破百亿美元,成为下一个有可能为人类社会带来颠覆性影响的产业。

 

在全球脑科学产业中,中国脑科学企业的融资动作显得异常活跃,位居全球第二。我国脑科学行业发展如此迅猛,也反映出了基础科研的进步。在《2021全球脑科学发展报告》中,曾提到: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。如今这一差距已逐渐缩小。

 

据统计,2022年神经科学领域最新发表的近10000篇论文中,中国总发文量全球第二,前五的机构中有三家是中国的。此外,论文质量也有了新突破,无论是是医院还是科研机构,总影响因子排名前五中,都不乏有中国的身影。

 

图片1.png

 2022年脑科学领域论文发文情(数据来源:科研猫)

 

一年间,我国脑科学研究出现了飞跃式的增长,这当然和政策导向脱不了关系。从2011年到2022年的十余年间,我国总共发布了三十余部支持脑科学发展的政策法规,拨款近百亿,地方政策更是不计其数。十四五规划也特地将“脑科学与类脑研究”列入其中。正是因为多年的积累,我国脑科学才迎来了2022年的爆发。

 

科研院所是创新研究的摇篮,科研端的成绩自然也离不开实验室。截至2023年,我国总共有22个省市、45所科研院所开展了有关脑科学的研究,共计58家脑科学实验室

 

 图片2.png图片3.png图片4.png

 全国脑科学实验室情况(如有遗漏,欢迎指正)

 

脑科学研究不仅在临床发光,也在产业界发光。追根溯源,这近六十家脑科学实验室中或许就有未来黑马。它将诞生在哪里?

 

三、脑科学研究在哪里展开?


成立一间实验室需要耗费大量的财力物力,因此无论是选址还是主持成立的单位都是反复斟酌后的结果。我们似乎能从中探及我国脑科学研究的现状与未来。

 

1. 地理位置:集中在北、上、苏

 

从地理位置来看,北京、上海、江苏是脑科学相关研究所(实验室)聚集的重点地区。这和我国脑科学发展的历史相吻合。

 

在1999年,蒲慕明院士组织成立了我国第一个脑科学专门研究所——中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所,并担任所长。由此打开了我国脑科学系统性研究的大门。

 

之后,中科院又联合、组织北大、清华等高校成立了脑科学研究所,推进脑科学研究走入高校。江苏作为我国高校最为密集的省份,自然而然也成为了脑科学研究重镇。

 

除了历史因素以外,政策导向也是选址的关键因素。“中国脑计划”被称为是力度最大的脑科学研究支持政策之一。而“中国脑计划”出台后的第一大举动便是成立了“北脑,南脑中心”,也就是北京脑科学与类脑研究中心上海脑科学与类脑研究中心

 

自成立以来,这两所研究中心的目标便是成为国际一流的脑科学与类脑研究研发机构,因此政府也为其配备了最优秀的人才、设备资源。大量的脑科学人才聚集在上海、北京两地,也吸引着脑科学相关企业想要来分上一杯技术的“羹”。

 

在政策与市场的双重促进下,两所实验室又引导着更多大院大所“扎堆”脑科学,北京和上海自然也就成为了脑科学研究的两大聚集点。

 

2.所属主体:并非医学院的专属

 

从研究院主体来看,脑科学与其他医学专业有别,并非医学院的专属。一些综合性大学,甚至是理工类大学也都在专研脑科学。这和脑科学概念的扩展有关。

 

在发展初期,脑科学还不是一门独立的学科,更多时候被称为神经科学,源于生理学、生物化学、生物物理学、药理学、解剖学、胚胎学、神经病学和精神病学,主要是针对中枢功能控制系统的研究。

 

直到上世纪八十年代,脑科学才成为了一门独立学科,分子生物学、遗传学、影象学甚至是计算网络都被纳入了脑科学的研究范畴。

 

随着生命科学领域的发展,人们也逐渐意识到医学绝不是一门能独立发展的学科,多领域协同发展才是创新的新趋势。脑科学亦如此,脑科学中的各种亚学科也不再侧重单一的研究策略,而是进行了融合。

 

如今,脑科学的含义已经被“扩写”到了与脑相关的几乎所有研究,包括疾病的发病机制、诊疗以及预后等。理工类科研院所的大数据技术、人工智能技术、云计算等技术也已经成为了脑科学发展密不可分的重要部分。也得益于此,脑科学也不再是传统药物工业的“专利”,更成为了生物工程的重要支柱之一。

 

总而言之,脑科学是一门综合的研究课题,也是一门极具潜力的学科。除了老牌科研重镇以外,我们也看到很多新兴城市以及科研院所正以自己的方式,在脑科学研究、转化领域发力。脑科学不仅在临床上有重要意义,还可能推动新一代人工智能和新型信息产业的发展。因此,脑科学研究还需要更多具备综合知识储备的科研人员加入。

 

三、脑科学研究重视应用与发展


对于实验室而言,研究方向也代表着这一实验室的研究重点。橙果局整理全国58所脑科学实验室发现,其研究方向主要可分成脑认知、脑保护、脑发展三大模块。

 

图片5.png 三大模块统计

 

脑认知顾名思义,就是对大脑构成、功能以及机制原理进行探索。脑保护则是对脑部重大疾病,包括神经系统疾病、精神疾病等诊疗方式进行研究。而脑发展可以狭义的理解为以脑研究为基础进行技术开发。但随着脑发展研究逐渐壮大,其亚种类也呈现出“自立门户”的趋势,最为明显的便是以脑机接口为代表的“类脑研究”

 

1. 脑认知:应用转化的基础

 

从实验室的研究方向我们可以看出,关于脑保护和脑发展的项目数量远远高出脑认知。

 

虽然人类对脑科学的研究可追溯到文艺复兴时期,距今已有500多年的历史,但近100年脑科学研究才真正迎来了爆发期。在一个世纪的时间里,人类对大脑的了解不再局限在构造,而是对神经细胞的编码传递、神经元交互、甚至是反应功能都清晰掌握。

 

但脑科学领域仍有许多“未解之谜”尚未开启。因此,我国也在积极推进脑科学基础研究。

 

复旦大学脑科学研究院为例,它与医学神经生物学国家重点实验室“两位一体”,重点研究神经活动基本过程,以及脑的高级功能。包括,神经信号转导和突触传递,感觉信息处理及其机制,神经系统功能发育、再生和可塑性在内的脑科学基础研究都是它关注的重点。

 

但基础科研终将为应用研究服务。基础研究之上,复旦大学脑科学研究院也注重脑科学在临床上的转化与应用。仅2023年,复旦大学脑科学研究院就已经在国际知名杂志上发表了多篇有关帕金森治疗、青光眼治疗以及抑郁症诊治的文章。“提升脑科学科研能力,满足社会健康需求”也成为了研究院的目标。

 

复旦大学脑科学研究院并非个例。脑的基础认知研究还在继续,但目前的认知基础已足以支撑起更多项目的转化与发散。这或许有也是当前脑保护与脑发展研究火热的原因之一。

 

脑保护和脑发展广义上都是对脑科学研究的应用,但仍有很多不同。从应用场景来看,脑保护更注重临床运用,而脑发展则是技术上的创新。

 

2.脑保护:神经退行性疾病、精神类疾病仍需探索发病机制与诊疗方案

 

目前,从事脑保护研究的科研人员比较关注的疾病大致可以分为四类。一是神经退行性疾病,如阿尔兹海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等。二是精神类疾病,如抑郁症、焦躁症、失眠等。三则是儿童多发的神经发育障碍性疾病,如多动症、自闭症、智力障碍等。四则是源自大脑结构本身的脑部肿瘤、脑部血管类疾病。

 

从数量来看,关注神经退行性疾病的实验室是最多的。这或许也和近十年神经退行性疾病发病机制有了突破性进展有关。

 

如今科研界已经确定了与神经退行性疾病相关的遗传因素和生化过程,但仍未出现能够完全治愈甚至是逆转疾病的治疗方案。因此,科研人员关注神经退行性疾病,一方面是为了更加明确疾病的发病机制以及引发的共患症的原因,另一方面则是为疾病诊治提供有效的解决方案。

 

比如,香港科技大学分子神经科学国家重点实验室一直致力于神经科学基础研究与神经系统疾病发生机制和干预措施开发。在2002年,叶玉如教授领导的国际研究团队,发现了一种在阿尔兹海默症(AD)发病机制中起关键作用的血液蛋白。


这一发现能为AD患者提供创新治疗策略,有效降低AD发病风险和改善患者病况。这一研究已经登上了《Nature Aging》,并在Alzforum等关注AD 研究的学术交流平台引发热议。

 

关注精神类疾病的实验室数量仅次于神经退行性疾病。

 

社会发展给人们带来生活便利的同时,也带来了不可忽视的社会压力。精神类疾病庞大的患者群体已经构成了严重的社会问题。再加之不少名人因精神类疾病选择结束生命,“关注精神类疾病”的话题被一次次推向社会讨论的风口浪尖。

 

很多实验室在尝试通过光、电、磁等技术改善精神类疾病患者病况。天津脑科学与类脑研究中心就专门将“声、光、电、磁技术创新发展先进神经功能检测与调控装备”研究列为了重点方向。

 

但目前大多数精神类疾病的发病机制尚不明确,大多数治疗方案都是根据循证医学得出。因此,摸清精神类疾病的发病机制并从发病机制入手,寻找“对症下药”的治疗方案,是目前科研人员研究的方向。

 

3.脑发展:脑机接口研究成为大势所趋

 

随着大脑成像、脑机交互、生物传感、大数据处理等新技术不断涌现,脑科学与计算技术、人工智能、纳米材料等学科正呈现出交叉融合的态势。

 

脑发展不仅得益于技术革新,更能反哺技术迭代。因此,类脑研究成为了科研的热门话题,大国之间在类脑研究上的竞争博弈也日趋激烈。“中国脑计划”中,类脑与脑机智能就被列为了核心内容,针对类脑研究的政策力度以及科研重视程度都高于其他脑研究。

 

而在类脑研究中,b是最受关注的方向。

 

在涉及脑发展研究的25所实验室中,关注脑机接口研究的便有18所。脑机接口是生命科学和信息技术高度融合的学科,理工类大学自然也成为了研究的主力军,如湖北科技大学还专门设立了脑机接口与机器学习实验室。


此外,脑机接口的热度也体现在政策端。据统计,截至2022年,国家科技部、卫生部、国务院等发布了23部有关脑机接口支持类政策。31个地方省市共发布了34条支持政策,将脑机接口在医疗康复、虚拟现实等领域的产业化应用列为了行业发展的重点。

 

纵观整个脑科学研究,脑认知的关注热度和另外两者相比还是略显逊色。但无论是脑保护还是脑发展,都离不开脑认知的研究为基础。大脑是人体最重要的器官,也可能是最复杂的器官,只有厘清大脑的网状结构,才能真正打通大脑和其他研究之间的连接通路。

 

四、结语

 

2005年,《Science》杂志在庆祝创刊125周年时,邀请全球几百位科学家列出他们认为当今世界最重要的前沿科学问题,最后归纳为125个,其中有18个问题属于脑科学。

 

在当时,脑科学便被寄予厚望,甚至类称为“世纪前沿科学”。18年后的今天,脑科学的神秘面纱正在一点一点被揭开,我们能窥见其中的潜力与机遇,也能感受到还有未知在静候探寻。

 

200年,我们从认清大脑的基本结构到摸清神经传递的奥秘。在下一个200年,脑科学还将带给我们哪些惊喜?答案就在实验室中。

注:文中如果涉及企业数据,均由受访者向分析师提供并确认。
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