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“中國制造”的腦科學新工具 讓科技創(chuàng)新的強國動力更強勁
2022年04月01日 13:59:16
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：5894
近年來，越來越多的學者們開始鉆研腦科學，我國的腦科學研究者們也不例外，在這場科技角逐中嶄露鋒芒。
【化工儀器網(wǎng) 時事熱點】如今，人類對自然的探索范圍已經(jīng)達到了“上九天攬月，下五洋捉鱉”的地步，但對于大腦這個重量僅占人體總重量2%的器官，卻了解甚少。腦是人體最為復雜的器官，揭示腦的奧秘被認為是生命科學研究的“終極疆域”。近年來，越來越多的學者們開始鉆研腦科學，我國的腦科學研究者們也不例外，在這場科技角逐中嶄露鋒芒。
腦科學從狹義上來說就是神經(jīng)科學，主要是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細胞水平、細胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統(tǒng)內(nèi)的整合作用而進行的研究。從廣義上來說，就是研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的一項科學，其中還包括認識神經(jīng)科學等。
其實，了解大腦結(jié)構(gòu)的極大部分實際應用，是為了可以更好地了解大腦中哪些細胞可能是神經(jīng)系統(tǒng)疾病和精神疾病的基礎(chǔ)。很多神經(jīng)精神疾病都是由于大腦驅(qū)動了特定類別的神經(jīng)元或其他腦細胞，而不是均勻地影響整個大腦。若是能夠利用相關(guān)的儀器設(shè)備對大腦進行觀察，匯總齊腦細胞類型的完整列表，并且能夠觀察腦細胞的死亡、失控生長或是改變其在腦部疾病中的進程，那么對于人類的疾病來說是有著重大意義的。
近年來，抑郁癥、帕金森病、阿爾茨海默氏癥、癲癇等腦疾病的到了越來越多的關(guān)注，患者的數(shù)量也在劇增，由腦疾病所帶來的經(jīng)濟負擔和社會負擔越發(fā)嚴重，已經(jīng)成為我國人口老齡化面臨的重要社會問題之一。但是根據(jù)目前的科技情況來看，腦疾病發(fā)病機制依舊不清晰，其診治仍然是重大醫(yī)學難題，揭示大腦奧秘的重要性是毋庸置疑的。
新工具解決腦科學“剛需”之急
這些年來，科學家們不斷將電、磁、光等技術(shù)與神經(jīng)科學相結(jié)合，研制出了腦深部電刺激、磁刺激、光遺傳學等神經(jīng)刺激與調(diào)控技術(shù)，但由于各自物理屬性的差異，如何實現(xiàn)無創(chuàng)、精準對大腦深部進行有效調(diào)控仍面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。如何開發(fā)出一種適用于靈長類動物和人類、可無創(chuàng)到達大腦深部的刺激與調(diào)控工具，是腦學科所面臨的的“剛需”。
利用超聲波來操控神經(jīng)元活動并非是一種天方夜譚的想法。醫(yī)學上一向就有利用超聲波在人體組織中的波散射來成像，即B超。甚至早在幾十年前就有科學家發(fā)現(xiàn)，超聲波能夠通過“聲輻射力”讓聲場中的微小顆粒產(chǎn)生移動。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院鄭海榮團隊開始對“基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經(jīng)調(diào)控儀器”進行自主研發(fā)。
這種儀器，不僅國際上沒有，連器件和部件在國際市場上也買不到現(xiàn)成的，鄭海榮團隊只能利用基礎(chǔ)材料、元件和芯片，在深圳自主設(shè)計、自主加工、自主調(diào)試和驗證。然而，困難的不僅僅是“原創(chuàng)”儀器，科學和工程才是研究之路上的“攔路虎”。為了讓超聲波安全“穿過”顱骨，團隊們引入非均勻多層介質(zhì)中的“時間反演”理論，對每一個聲信號通道的時空傳播特征進行模擬、計算、調(diào)控與調(diào)試，從而去實現(xiàn)各通道間納米級高精度控制。
但這樣仍然不夠，超聲本身“看不到”顱內(nèi)自己的軌跡，如何用核磁共振成像去靈敏地檢測到超聲輻射力給神經(jīng)元帶來的4~5微米的精細變化，也是一道難題。而鄭海榮團隊堅持不懈開展攻關(guān)，發(fā)揮磁/聲兼容的優(yōu)勢，創(chuàng)造性地研制了“快速磁共振射頻激發(fā)與梯度編碼成像技術(shù)、磁共振聲輻射力成像技術(shù)”，使之用于監(jiān)測超聲輻射力刺激引起的微形變。
這臺儀器共有4個關(guān)鍵部件，包括超聲面陣輻射力產(chǎn)生與發(fā)射部件、超聲電子指向與時間反演控制部件、磁共振導航超聲刺激定位部件和多模態(tài)刺激反應監(jiān)測部件。其中，超聲面陣輻射力產(chǎn)生與發(fā)射部件中包含16384個陣元的面陣列超聲輻射力發(fā)生器。這臺由內(nèi)到外純粹“中國制造”的高端儀器，不僅讓上萬個超聲通道“齊心協(xié)力”安全地穿過顱骨，精準聚焦在預定靶點，而且不引起腦組織損傷，還有效地提高了磁共振成像的時空分辨率和靈敏度，實現(xiàn)磁共振對于聲波軌跡和靶點的敏感捕捉和可視化。
盡管作為一種用于治療的儀器，還面臨著病種差異化和安全方面的研究，針對不同病種的個性化調(diào)控參數(shù)，安全性、可行性和有效性也仍需與臨床專家深度合作。但早已有超過40家國內(nèi)外科研機構(gòu)使用了超聲刺激儀器，并且主要應用在有癲癇、帕金森病、抑郁癥、成癮等疾病的小動物和非人靈長類大動物實驗中，其有效性和安全性得到了驗證。
技術(shù)創(chuàng)新是持續(xù)發(fā)展的必由之路
科研儀器是科學家對科學進行探索而使用的工具，科研儀器的迭代更新能夠讓科學家們有更多的機會去獲得從前“未知”的新知識和新線索，過去無法看到的現(xiàn)象或是獲取不到的數(shù)據(jù)，科學家們從中總結(jié)出新的科學規(guī)律，解答了從前回答不上的問題。近年來在我國科技的不斷發(fā)展之下，這些“不能”都成為了“能”。
我們常說當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，而大變局的關(guān)鍵變量就是新一輪的科技革命。新科技革命正在重新塑造各國競爭力的消長和全球的競爭格局，科技創(chuàng)新也逐漸成為大國之間博弈的主戰(zhàn)場。我國同樣高度重視科研創(chuàng)新，2021年，我國研發(fā)投入達2.79萬億元，研發(fā)投入強度達2.44%，比上年增加14.2%。國家創(chuàng)新能力綜合排名上升至世界第12位。截至去年年底，我國高新技術(shù)企業(yè)數(shù)量達到33萬家，科技型中小企業(yè)數(shù)量達32.8萬家。
但我國仍面臨著科技創(chuàng)新的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不夠、創(chuàng)新主體功能定位存在一定交叉重復、企業(yè)在創(chuàng)新體系中的主體地位還不突出等難題，為此，我國也紛紛出臺政策，不斷完善高效、協(xié)同、開放的國家創(chuàng)新體系，統(tǒng)籌科技創(chuàng)新與制度創(chuàng)新，健全社會主義市場經(jīng)濟條件下新型舉國體制，以促進各類創(chuàng)新主體緊密合作、創(chuàng)新要素有序流動、創(chuàng)新生態(tài)持續(xù)優(yōu)化、提升體系化能力和重點突破能力，增強創(chuàng)新體系整體效能。
市場監(jiān)管總局發(fā)布的《“十四五”市場監(jiān)管科技發(fā)展規(guī)劃》中多次提及檢驗檢測技術(shù)及儀器裝備的研發(fā)規(guī)劃。規(guī)劃中重點提及，要圍繞檢驗檢測市場規(guī)模不斷擴大、檢驗檢測技術(shù)應用場景不斷拓展的發(fā)展趨勢，重點攻克快速檢測、智能檢測、在線檢測、云檢測等急需關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)常態(tài)防范、高場景適應性和先進智能化技術(shù)及裝備；圍繞食品安全監(jiān)管開發(fā)現(xiàn)場、快速、綠色檢測技術(shù)裝備；圍繞工業(yè)品質(zhì)量安全等研發(fā)快速、便攜、在線、原位、精準、智能檢測儀器裝備，以及攻克計量科學儀器核心關(guān)鍵部件研制等。
不僅如此，各大研究所也紛紛推出關(guān)于高端科學儀器研發(fā)資助政策?？萍疾炕A(chǔ)研究司對“基礎(chǔ)科研條件與重大科學儀器設(shè)備研發(fā)”重點專項2022年度項目申報指南公開征求意見，重點支持高端科學儀器工程化研制與應用開發(fā)，研制可靠、耐用、好用、用戶愿意用的高端科學儀器，切實提升我國科學儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平，促進產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，支撐創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實施；中科院西安光機所所級公共技術(shù)中心以關(guān)鍵核心部件攻關(guān)及關(guān)鍵核心技術(shù)突破，圍繞國家基礎(chǔ)研究與科技創(chuàng)新重大戰(zhàn)略需求，安排專項經(jīng)費支持高端科學儀器國產(chǎn)化工作。
“基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經(jīng)調(diào)控儀器”的成功，讓我們看到的不僅僅只是腦科學上的重大成果，同時也是我國自主科研創(chuàng)新的一項重大突破。這臺由內(nèi)到外純粹“中國制造”的高端儀器，讓發(fā)揮大腦功能、診治大腦疾病、模擬大腦機制不再是一件高不可攀的事，讓“原創(chuàng)之風”在科研儀器領(lǐng)域刮起颶風。科技創(chuàng)新就像撬動地球的杠桿，總能創(chuàng)造令人意想不到的奇跡，在各項政策紅利的激勵下，廣大科技工作者正在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展上邁大步、創(chuàng)佳績，國產(chǎn)科研儀器終將迎來突圍時刻！
(資料參考來源 ：中國科學報、科技部、人民網(wǎng)、健康報等)
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