神秘的大脑人类为何能说话、会思考、善学习、有情感?
谜底藏在人脑860亿个神经元、几千亿个神经胶质细胞、100万亿个神经突触之中。神经元通过突触连接构成大脑神经活动的基础,大脑的高级神经功能使我们区别于其它动物。然而目前我们对大脑的了解还非常有限,因此,脑科学研究作为重要的前沿技术领域,成为全球近年来科学研究的新方向。
全球脑计划概览
欧盟脑计划
2013年欧盟推出了预期10年的“人类脑计划”。欧盟人类脑计划的目标是开发信息和通信技术平台,致力于神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态的计算和神经机器人研究。侧重于通过超级计算机技术来模拟脑功能,以实现人工智能。
2015 年,欧盟脑计划的研究“新皮层微电路的重建与仿真”,首次用超级计算机模拟了共包含31000个神经元和3700 万个神经突触的大鼠神经网络。
2018 年,欧盟脑计划推出了首张小鼠大脑中每个细胞的数字3D 图谱,为神经科学家提供全部737个脑区中主要细胞类型、数目和位置等先前无法获得的信息,极大地加快了脑科学的进展。欧盟脑计划取得了许多突破性进展,其中包括能够应用在神经形态计算机上的全新学习算法,充分结合实验神经科学成就的全新理论模型,以及对于理解学习、认知、空间记忆、多感官整合、睡眠和意识的神经基础等。
美国脑计划
2013 年美国宣布启动“创新性神经技术大脑研究”计划,被称为美国的脑计划,其目标包括寻找难治性脑疾病的治疗方案、探索人脑工作原理,该计划对于推动人工智能的进步发挥关键作用。最终目的是产生对脑功能障碍的认识,帮助研究人员找到治疗、治愈甚至防止老年痴呆症、创伤性脑损伤等脑部疾病的新方法。
目前美国脑计划已在很多方面获得突破性成果:绘制出斑马鱼在接受多种刺激时大脑的透视图;研发出能够精准控制小鼠行为的技术;开发出能够一次性记录数以千计神经元电活动的方法;推出了“艾伦小鼠脑图谱”、“艾伦人类脑图谱”等共享数据库,为数以万计的科学家的研究提供数据支持;绘制了秀丽隐杆线虫全部神经元及其之间的7000个连接的完整图谱,该研究让我们更好地理解神经元如何相互作用导致产生不同行为;研究出了年轻小鼠的脑脊液对衰老大脑具有潜在的再生性能;首次定位大脑深度睡眠关键蛋白等研究成果。
日本脑计划
2014 年,日本的“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱 ”项目启动,被称为日本的脑计划。日本脑计划旨在利用非人灵长类动物狨猴绘制神经元回路的结构和功能图谱,以帮助最终了解人类复杂的大脑。2018 年,狨猴大脑的3D 图谱绘制完成。2019 年,通过对2973 个个体进行分析,Koshiyama 等发现精神分裂症、躁郁症、自闭症谱系障碍、重度抑郁症患者的胼胝体体部白质结构存在相似改变,并且与正常个体存在显著差别,这为疾病分类提供新的理论支持。
除了上述国家和地区以外,澳大利亚、韩国和加拿大也分别提出自己的脑计划:
2016 年澳大利亚提出通过增加国际合作来提高本国的大脑战略性研究,目前已在神经镇痛装置、仿生视觉装置等方面获得转化性成果;2016 年韩国提出“脑科学发展战略”,通过政府资助提高国家脑科学研究水平,并在脑疾病防治方面取得突破;2017年加拿大启动脑科学研究战略,着重开展对大脑发育及功能的研究,并利用研究成果防治脑疾病,带动人工智能技术的发展。
中国脑计划
“中国脑计划”经过六年多筹划,在2021年正式启动了科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目,主要涉及两个研究方向:以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立发展人工智能技术为导向的类脑研究。
脑计划对我国基础脑科学技术研究平台有很大的提升,这些技术体现在神经标记和神经环路示踪技术、大脑成像技术、神经调节技术、神经信息处理平台等方面。
此外,该项目有望建立一个脑图像国家平台,一个有关大脑功能失调的血液生物库和大脑生物库以及大脑健康训练和教育中心,对于基础脑科学研究来说,由此带来的长尾效应非常明显。
中国执行脑计划拥有诸多方面的优势,例如中国非人灵长类动物种类和数量都非常丰富,在非人灵长类脑疾病模型上也处于世界领先地位。除了能促进基础脑科学外,“中国脑计划”有益我们对大脑疾病的探索。中国脑计划有望通过分子、影像以及相关标记物,即可在大脑疾病的早期诊断和干预上发挥重要作用,通过大脑疾病的遗传、表观遗传以及病理性功能失调等方面的研究,掌握大脑疾病的发生机制。我们日常常见的脑功能障碍疾病,如自闭症、心理障碍、抑郁症、上瘾以及神经衰退性疾病阿尔茨海默综合症,帕金森等疾病是这项计划首先要攻克的目标。
中国脑计划取得多项世界顶尖突破: 北京大学陈良怡团队开发了一种可以精确记录小鼠在自由活动中的脑活动的高速高分辨微型双光子显微镜;华中科技大学骆清铭团队开发的高通量双色成像方法,以细胞水平的高分辨率对整个小鼠脑进行3D 成像和重建;清华大学戴琼海院士团队研制出新型超宽视场高分辨率实时显微成像仪器。2018,我国科学家首次针对人类前额叶皮层发育过程中前额叶形成中的细胞与分子机制进行了系统研究; 2019 年,华中科技大学骆清铭团队将单突触狂犬病病毒示踪剂与荧光微光学切片断层扫描结合使用,以生成对雄性小鼠mPFC 中GABA 能中间神经元的直接远程输入的全脑图谱。
5357cc拉斯维加斯建立脑科学与神经系统研究平台
目前脑疾病患者数量逐年增长,全球的科学家对于包括阿尔茨海默综合症、帕金森、精神分裂、抑郁、药物成瘾以及中枢神经系统损伤等疾病的病因、发病机制的行程等仍没有清晰的认识,全球脑疾病药物仍然存在空白。
因此,5357cc拉斯维加斯围绕国家重大项目研究方向,充分发挥大动物疾病模型研发能力的优势和高品质的实验动物资源保障的优势,创建了脑科学与神经系统服务平台,针对重要神经疾病机制打造创新模型产品,对神经系统疾病机理进行前沿性探索。平台致力于建立较为全面的神经科学研究技术平台,力争在脑科学研究领域实现前沿技术突破。可以为相关重大脑疾病的早期诊断、干预、临床研究,以及全面解析脑疾病的发病机制等领域研发出更有效的治疗手段。
平台优势
拥有非人灵长类疾病模型研发能力
5357cc拉斯维加斯利用丰富的资源和合理的动物保护规范,以具有较高智力的非人灵长类动物为主要模式动物,探索和研究人类高级认知功能的大脑机制,构建与人类脑功能和结构更为接近的非人灵长类的脑疾病模型,包括脑缺血再灌注损伤模型、蛛网膜下腔出血模型、癫痫模型、帕金森模型、阿尔茨海默症模型、抑郁症模型、自闭症模型、脊髓损伤模型、脑损伤模型等神经系统疾病模型。
非人灵长类疾病模型的建立,不仅可以供筛选脑疾病药物,也有助于研发新一代的生理、物理治疗手段,助力脑科学计划研究创新向更深层次、更广领域、更高水平迈进,为科研产业高质量发展提供坚强技术支撑。
拥有非人灵长类资源保障能力
很多药物研发是以小鼠作为主要动物模型,但在脑疾病的药物研发中,人类大脑跟小鼠大脑差别很大,在小鼠模型上筛选到的候选药物用在病人身上大都无效或有不可接受的副作用。
而猴具有与人类相似的生物学特性、智力较发达和神经控制等特点,具有一般哺乳动物的共同特征。所以非人灵长类动物可能是研究人类脑疾病的最优模型。同时,在做药物筛选时不会受到遗传背景的干扰,这将有效缩短药物研发周期,提高药物研发成功率,使我国率先发展出基于非人灵长类疾病动物模型的全新医药研发产业链。
目前5357cc拉斯维加斯在全国已经布局长三角食蟹猴动物资源基地,西南恒河猴、狨猴动物资源基地,形成主要实验动物的繁育、保种育种、进口替代、打造高品质产业链的能力。为自闭症、抑郁症和老年退行性疾病等脑疾病的预防、早期诊断、早期干预、缓解和治疗提供了资源保障。同时,满足国内对种子及国家重点项目、重点领域的需求,努力开拓实验动物资源,努力建成科研引领、人才齐备、设施先进、管理规范的实验动物资源开放共享平台。