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【科技情报】刘润生博士:美国加快脑与神经科学研究的步伐
令狐小冲 2017-01-13
导语

脑与神经科学研究对于健康、教育学习和技术开发(新型计算机和机器人,如神经形态芯片)意义重大。美国国家科学技术委员会早在2014年发布的神经科学部际工作组报告就明确了重要挑战和优先重点,强调通过加强沟通、协调和合作加快神经科学研究。

编者按:本文作者中国科学技术信息研究所刘润生博士,亿科创新智库专家,授权发布。

引言:脑与神经科学研究对于健康、教育学习和技术开发(新型计算机和机器人,如神经形态芯片)意义重大。美国国家科学技术委员会早在2014年发布的神经科学部际工作组报告就明确了重要挑战和优先重点,强调通过加强沟通、协调和合作加快神经科学研究。

一、认识并运用脑信息处理能力

近年来,成像、遗传学、电子和材料科学领域的进步为脑结构和脑功能的实验研究能力取得突破创造了可能。计算机科学与人工智能的互补发展还大幅提高了从庞大复杂的数据集中发现规律并对脑功能进行模拟的能力。这些方法有助于揭示神经活动规律和复杂行为背后的脑结构,还为开发下一代治疗装置、设计新颖的计算机和机器人装置创造了条件。美国的“脑计划”是这方面振奋人心的举措,它着眼于加快新技术开发应用,创建动态的脑功能图,最终更好地认识人类如何思考、学习和记忆。

挑战在于:

一是记录并调节复杂行为背后的神经活动。新兴技术为在前所未有的尺度上更精确地记录并调节脑电活动创造了可能。通过集中投资并加强互动,能够与相关研究群体建立信息共享和协调机制,确定并聚焦于神经科学领域的关键技术和战略目标。

二是制定数据挖掘、数据驱动型发现和计算机模拟的新策略和新标准。大规模全面观察脑活动会产生海量数量,这给计算能力带来了巨大的挑战。这需要有有效、严谨的方法来集成如此庞大复杂的数据集,从中找出规律,同时促进研究团队之间高效合作。

三是将脑信息处理能力的研究成果和方法论转化为应用。脑研究能够用以加快关键的健康和技术领域的进步。其中尤其有巨大潜力去改善神经修复和神经假体装置,使之无缝融入神经系统,并更灵敏地响应佩戴者的需求。但是,科学家还缺乏如何优化这些装置、使之与神经系统和脑直接沟通的认识。

重点建议:(1)通过“脑计划”协调神经科学部际工作,确保从物种、技术和方法层面为众多项目提供支持。资助机会应鼓励加强多学科和跨学科互动,以撷取不同的基础和应用科学研究群体的各种观点。(2)支持拟定并确立系统性地描述和量化行为、认知和疾病数据的方法。这是数据集成的关键,需要汇聚计算机、神经生物学、心理学和临床方面的深厚专业知识。(3)鼓励神经科学家、计算机科学家、数学家、统计学家和其他研究人员共同探寻在大数据组织与分析方面取得进步的重大机会。(4)制定鼓励研究人员运用并协调现有数据库和其他资源的策略。(5)鼓励研究人员、企业和非营利机构开发新的数据分析产品和服务,鼓励通过公私合作促进科研成果转化。

二、认识并治疗脑疾病、脑功能障碍和脑损伤

神经科学研究进展迅速,为认识和治疗脑疾病、脑功能障碍和脑损伤带来了新机遇。对致病机理认识的增加正在改变科学家和医疗工作者诊治这些疾病的能力。

挑战在于:

一是建立以神经科学为基础的疾病分类,以改善脑功能障碍治疗。目前脑功能障碍的分类主要依据临床特征,而科学证据表明,精神性障碍、神经性障碍、发育性障碍和药物滥用失常或许有一些共同的生物机理。将这些生物机理信息应用于疾病分类,可以改善疾病诊治,在疾病演变过程中尽早干预,并最终改善预判。

二是开发生物标记及评估工具。生物标记对于早期诊断、患者分类、疾病恶化过程与治疗情况观察十分关键,但患者的异质性和脑功能障碍症状量化指标的缺乏使生物标记发现工作一直很难前进,这项工作必须加快。

三是认识并征服血脑屏障。血脑屏障保护脑不受生物和其他不利物质的伤害,但也会限制许多可能有益的治疗物质进入大脑。

重点建议:(1)在神经科学部际工作组下成立一个工作小组,以建议如何将当前的神经生物学信息用于脑功能障碍分类。(2)发动相关部门开展合作,以统一各种临床研究工作中的公用数据元,集成各种大型临床数据集信息,并在法律允许的前提下鼓励广大研究界共享临床数据。(3)在神经科学部际工作组下成立一支工作小组,纳入相关部门人员和外部专家,以评估各部门的生物标记工作,同时汇总并提炼出最佳实践指南。(4)通过专题研讨会和其他合作机制鼓励研究界和相关部门确定最有希望让治疗物质穿过血脑屏障的策略。

三、认识并优化环境与脑在整个生命历程中的相互作用

从饮食习惯到物质环境、社会关系,有许多因素影响脑与认知功能。要开展基础研究,以认识决策、学习等高级功能背后的基本神经机理,并判定其与复杂的社会和环境如何相互作用。

挑战在于:

一是认识并促进脑的适应性与恢复。营养不良、灾害、生态系统变化、环境污染、危险的工作条件、不利的生活事件等应激因素均可能引发不同的有害结果。

二是认识并优化学习。神经科学十分关注学习和教育,但是仍然缺乏实证应用。鉴于学习对于适应能力的重要性,特别是教育对于人类社会成功的重要性,增进对学习过程与神经科学的深入认识势在必行。

重点建议:(1)针对从事脑与行为反应、适应性和恢复研究的广泛科学群体,制定加强跨部门合作、协调和支持的机制。近期和中期目标应包括,确定优先研究重点和跨部门举措能产生重大影响的领域,建立相应的公私合作关系、沟通策略和资助策略。(2)针对自我控制和应激反应制定跨部门研究目标。(3)通过跨部门研讨或联合资助,协调联邦机构的工作,并注重学习与技能获取的神经科学基础、环境与认知关系的研究方法、生命历程中的脑与认知变化、优化学习的研究方法、新的学习技术。

四、将研究成果付诸实践

挑战在于:

一是促进神经科学基础研究成果的临床应用。从科学发现到临床前和临床试验,整条道路相当复杂,长期维持疗法开发工作需要耗费大量资源。开发用于评估产品安全、效用、质量和性能的新工具和新方法有助于提高临床转化效率。食品和药品管理局的监督管理是产品开发与审批过程中的关键要素。参与研究成果临床转化的部门都能从经验交流中相互受益。

二是促进神经科学和认识科学研究成果在教育中的应用。当前,需要加强神经科学与认识科学的研究发现在教学改善策略中的应用,特别要辨识并传播可以投入课堂试验的具体发现。如果加强联邦机构与州、地方和私营组织之间的合作,就能加快辨识有前景付诸实践的研究成果,并更快地制订出评估方法和指标。

重点建议:(1)成立一个工作小组,让相关联邦机构形成合力,促进神经科学研究成果实用化和商业化。这个小组应该包括基础研究和临床研究人员以及从事监管工作的官员,并且应该提出确保治疗方法研发高效的最佳做法。(2)会同这个工作小组建立一个可公开获取的联邦资源及信息交换中心,以加快从研究到应用的转化过程,经济有效地通过监管审批程序、及时实现产品化,并且最大程度减少繁冗手续。

五、加强沟通并推动公共参与

挑战在于:

一是改善联邦机构之间的沟通与信息共享。任何一个部门都难以单独包揽神经科学基础、转化和临床研究所需的多元而深厚的专业知识。联邦机关必须共享各自的神经科学资源和计划信息,使现有活动真正发挥作用,避免重复研究。

二是改善与公众及所有外部利益相关方的沟通。认识神经性障碍、精神性障碍和药物滥用失常与公众利益息息相关,联邦机构必须告知公众神经科学研究的执行及支持情况

三是探寻潜在的国际合作领域。神经科学部际工作组努力寻找机会扩大神经科学联邦投资的影响,并且某些机会已经得到了国际合作伙伴的认同。例如,欧盟委员会把“人脑项目”列为旗舰项目,而互惠合作会对推进神经科学前沿产生重大影响。

四是神经伦理学问题。神经科学部际工作组参与白宫“神经科学计划”,其中就涉及神经伦理学问题。美国总统生物伦理问题研究委员会将就神经科学尤其是“脑计划”所引起的伦理问题向总统提出建议。

重点建议:神经科学部际工作组应当继续作为汇聚各部门项目官员和高级职员的论坛,使彼此相互了解各自的优先重点,在相关领域加强协调和创新。近期重点工作应包括:(1)建立联邦神经科学研究门户网站,汇集联邦政府各部门和跨部门的计划、立项数据库以及项目官员和其他专家信息,以便查阅。(2)制定加强有关神经科学研究和脑疾病的公众沟通策略。(3)确保整个神经科学领域的政府优先重点纳入联邦部门的规划。

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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

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  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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