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“中国制造”的脑科学新工具 让科技创新的强国动力更强劲

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时间:2022-04-12 10:37

如今,人类对自然的探索范围已经达到了“上九天揽月,下五洋捉鳖”的地步,但对于大脑这个重量仅占人体总重量2%的器官,却了解甚少。脑是人体最为复杂的器官,揭示脑的奥秘被认为是生命科学研究的“终极疆域”。近年来,越来越多的学者们开始钻研脑科学,我国的脑科学研究者们也不例外,在这场科技角逐中崭露锋芒。
 
  脑科学从狭义上来说就是神经科学,主要是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程,以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。从广义上来说,就是研究脑的结构和功能的一项科学,其中还包括认识神经科学等。
 
  其实,了解大脑结构的极大部分实际应用,是为了可以更好地了解大脑中哪些细胞可能是神经系统疾病和精神疾病的基础。很多神经精神疾病都是由于大脑驱动了特定类别的神经元或其他脑细胞,而不是均匀地影响整个大脑。若是能够利用相关的仪器设备对大脑进行观察,汇总齐脑细胞类型的完整列表,并且能够观察脑细胞的死亡、失控生长或是改变其在脑部疾病中的进程,那么对于人类的疾病来说是有着重大意义的。
 
  近年来,抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默氏症、癫痫等脑疾病的到了越来越多的关注,患者的数量也在剧增,由脑疾病所带来的经济负担和社会负担越发严重,已经成为我国人口老龄化面临的重要社会问题之一。但是根据目前的科技情况来看,脑疾病发病机制依旧不清晰,其诊治仍然是重大医学难题,揭示大脑奥秘的重要性是毋庸置疑的


新工具解决脑科学“刚需”之急

  这些年来,科学家们不断将电、磁、光等技术与神经科学相结合,研制出了脑深部电刺激、磁刺激、光遗传学等神经刺激与调控技术,但由于各自物理属性的差异,如何实现无创、精准对大脑深部进行有效调控仍面临着严峻的挑战。如何开发出一种适用于灵长类动物和人类、可无创到达大脑深部的刺激与调控工具,是脑学科所面临的的“刚需”。
 
  利用超声波来操控神经元活动并非是一种天方夜谭的想法。医学上一向就有利用超声波在人体组织中的波散射来成像,即B超。甚至早在几十年前就有科学家发现,超声波能够通过“声辐射力”让声场中的微小颗粒产生移动。中国科学院深圳先进技术研究院郑海荣团队开始对“基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”进行自主研发。
 
  这种仪器,不仅国际上没有,连器件和部件在国际市场上也买不到现成的,郑海荣团队只能利用基础材料、元件和芯片,在深圳自主设计、自主加工、自主调试和验证。然而,困难的不仅仅是“原创”仪器,科学和工程才是研究之路上的“拦路虎”。为了让超声波安全“穿过”颅骨,团队们引入非均匀多层介质中的“时间反演”理论,对每一个声信号通道的时空传播特征进行模拟、计算、调控与调试,从而去实现各通道间纳米级高精度控制。
 
  但这样仍然不够,超声本身“看不到”颅内自己的轨迹,如何用核磁共振成像去灵敏地检测到超声辐射力给神经元带来的4~5微米的精细变化,也是一道难题。而郑海荣团队坚持不懈开展攻关,发挥磁/声兼容的优势,创造性地研制了“快速磁共振射频激发与梯度编码成像技术、磁共振声辐射力成像技术”,使之用于监测超声辐射力刺激引起的微形变。
 
  这台仪器共有4个关键部件,包括超声面阵辐射力产生与发射部件、超声电子指向与时间反演控制部件、磁共振导航超声刺激定位部件和多模态刺激反应监测部件。其中,超声面阵辐射力产生与发射部件中包含16384个阵元的面阵列超声辐射力发生器。这台由内到外纯粹“中国制造”的高端仪器,不仅让上万个超声通道“齐心协力”安全地穿过颅骨,精准聚焦在预定靶点,而且不引起脑组织损伤,还有效地提高了磁共振成像的时空分辨率和灵敏度,实现磁共振对于声波轨迹和靶点的敏感捕捉和可视化。
 
  尽管作为一种用于治疗的仪器,还面临着病种差异化和安全方面的研究,针对不同病种的个性化调控参数,安全性、可行性和有效性也仍需与临床专家深度合作。但早已有超过40家国内外科研机构使用了超声刺激仪器,并且主要应用在有癫痫、帕金森病、抑郁症、成瘾等疾病的小动物和非人灵长类大动物实验中,其有效性和安全性得到了验证。


技术创新是持续发展的必由之路  

   科研仪器是科学家对科学进行探索而使用的工具,科研仪器的迭代更新能够让科学家们有更多的机会去获得从前“未知”的新知识和新线索,过去无法看到的现象或是获取不到的数据,科学家们从中总结出新的科学规律,解答了从前回答不上的问题。近年来在我国科技的不断发展之下,这些“不能”都成为了“能”。
 
  我们常说当今世界正经历百年未有之大变局,而大变局的关键变量就是新一轮的科技革命。新科技革命正在重新塑造各国竞争力的消长和全球的竞争格局,科技创新也逐渐成为大国之间博弈的主战场。我国同样高度重视科研创新,2021年,我国研发投入达2.79万亿元,研发投入强度达2.44%,比上年增加14.2%。国家创新能力综合排名上升至世界第12位。截至去年年底,我国高新技术企业数量达到33万家,科技型中小企业数量达32.8万家。
 
  但我国仍面临着科技创新的统筹协调不够、创新主体功能定位存在一定交叉重复、企业在创新体系中的主体地位还不突出等难题,为此,我国也纷纷出台政策,不断完善高效、协同、开放的国家创新体系,统筹科技创新与制度创新,健全社会主义市场经济条件下新型举国体制,以促进各类创新主体紧密合作、创新要素有序流动、创新生态持续优化、提升体系化能力和重点突破能力,增强创新体系整体效能。
 
  市场监管总局发布的《“十四五”市场监管科技发展规划》中多次提及检验检测技术及仪器装备的研发规划。规划中重点提及,要围绕检验检测市场规模不断扩大、检验检测技术应用场景不断拓展的发展趋势,重点攻克快速检测、智能检测、在线检测、云检测等急需关键技术,研发常态防范、高场景适应性和先进智能化技术及装备;围绕食品安全监管开发现场、快速、绿色检测技术装备;围绕工业品质量安全等研发快速、便携、在线、原位、精准、智能检测仪器装备,以及攻克计量科学仪器核心关键部件研制等。
 
  不仅如此,各大研究所也纷纷推出关于高端科学仪器研发资助政策。科技部基础研究司对“基础科研条件与重大科学仪器设备研发”重点专项2022年度项目申报指南公开征求意见,重点支持高端科学仪器工程化研制与应用开发,研制可靠、耐用、好用、用户愿意用的高端科学仪器,切实提升我国科学仪器自主创新能力和装备水平,促进产业升级发展,支撑创新驱动发展战略实施;中科院西安光机所所级公共技术中心以关键核心部件攻关及关键核心技术突破,围绕国家基础研究与科技创新重大战略需求,安排专项经费支持高端科学仪器国产化工作。
 
  “基于超声辐射力的深部脑刺激与神经调控仪器”的成功,让我们看到的不仅仅只是脑科学上的重大成果,同时也是我国自主科研创新的一项重大突破。这台由内到外纯粹“中国制造”的高端仪器,让发挥大脑功能、诊治大脑疾病、模拟大脑机制不再是一件高不可攀的事,让“原创之风”在科研仪器领域刮起飓风。科技创新就像撬动地球的杠杆,总能创造令人意想不到的奇迹,在各项政策红利的激励下,广大科技工作者正在创新驱动发展上迈大步、创佳绩,国产科研仪器终将迎来突围时刻!



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