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“中國制造”的腦科學新工具 讓科技創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 作者：羊舌木 點擊量：5901
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 時事熱點】如今，人類對自然的探索范圍已經達到了“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科學，主要是為了了解神經系統內分子水平、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內的整合作用而進行的研究。從廣義上來說，就是研究腦的結構和功能的一項科學，其中還包括認識神經科學等。
其實，了解大腦結構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系統疾病和精神疾病的基礎。很多神經精神疾病都是由于大腦驅動了特定類別的神經元或其他腦細胞，而不是均勻地影響整個大腦。若是能夠利用相關的儀器設備對大腦進行觀察，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注，患者的數量也在劇增，由腦疾病所帶來的經濟負擔和社會負擔越發嚴重，已經成為我國人口老齡化面臨的重要社會問題之一。但是根據目前的科技情況來看，腦疾病發病機制依舊不清晰，其診治仍然是重大醫學難題，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、光等技術與神經科學相結合，研制出了腦深部電刺激、磁刺激、光遺傳學等神經刺激與調控技術，但由于各自物理屬性的差異，如何實現無創、精準對大腦深部進行有效調控仍面臨著嚴峻的挑戰。如何開發出一種適用于靈長類動物和人類、可無創到達大腦深部的刺激與調控工具，是腦學科所面臨的的“剛需”。
利用超聲波來操控神經元活動并非是一種天方夜譚的想法。醫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現，超聲波能夠通過“聲輻射力”讓聲場中的微小顆粒產生移動。中國科學院深圳先進技術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調控儀器”進行自主研發。
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成的，鄭海榮團隊只能利用基礎材料、元件和芯片，在深圳自主設計、自主加工、自主調試和驗證。然而，困難的不僅僅是“原創”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、調控與調試，從而去實現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，發揮磁/聲兼容的優勢，創造性地研制了“快速磁共振射頻激發與梯度編碼成像技術、磁共振聲輻射力成像技術”，使之用于監測超聲輻射力刺激引起的微形變。
這臺儀器共有4個關鍵部件，包括超聲面陣輻射力產生與發射部件、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刺激反應監測部件。其中，超聲面陣輻射力產生與發射部件中包含16384個陣元的面陣列超聲輻射力發生器。這臺由內到外純粹“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控參數，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家國內外科研機構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。
技術創新是持續發展的必由之路
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，過去無法看到的現象或是獲取不到的數據，科學家們從中總結出新的科學規律，解答了從前回答不上的問題。近年來在我國科技的不斷發展之下，這些“不能”都成為了“能”。
我們常說當今世界正經歷百年未有之大變局，而大變局的關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，科技創新也逐漸成為大國之間博弈的主戰場。我國同樣高度重視科研創新，2021年，我國研發投入達2.79萬億元，研發投入強度達2.44%，比上年增加14.2%。國家創新能力綜合排名上升至世界第12位。截至去年年底，我國高新技術企業數量達到33萬家，科技型中小企業數量達32.8萬家。
但我國仍面臨著科技創新的統籌協調不夠、創新主體功能定位存在一定交叉重復、企業在創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、協同、開放的國家創新體系，統籌科技創新與制度創新，健全社會主義市場經濟條件下新型舉國體制，以促進各類創新主體緊密合作、創新要素有序流動、創新生態持續優化、提升體系化能力和重點突破能力，增強創新體系整體效能。
市場監管總局發布的《“十四五”市場監管科技發展規劃》中多次提及檢驗檢測技術及儀器裝備的研發規劃。規劃中重點提及，要圍繞檢驗檢測市場規模不斷擴大、檢驗檢測技術應用場景不斷拓展的發展趨勢，重點攻克快速檢測、智能檢測、在線檢測、云檢測等急需關鍵技術，研發常態防范、高場景適應性和先進智能化技術及裝備；圍繞食品安全監管開發現場、快速、綠色檢測技術裝備；圍繞工業品質量安全等研發快速、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鍵部件研制等。
不僅如此，各大研究所也紛紛推出關于高端科學儀器研發資助政策。科技部基礎研究司對“基礎科研條件與重大科學儀器設備研發”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，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新能力和裝備水平，促進產業升級發展，支撐創新驅動發展戰略實施；中科院西安光機所所級公共技術中心以關鍵核心部件攻關及關鍵核心技術突破，圍繞國家基礎研究與科技創新重大戰略需求，安排專項經費支持高端科學儀器國產化工作。
“基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經調控儀器”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新的一項重大突破。這臺由內到外純粹“中國制造”的高端儀器，讓發揮大腦功能、診治大腦疾病、模擬大腦機制不再是一件高不可攀的事，讓“原創之風”在科研儀器領域刮起颶風。科技創新就像撬動地球的杠桿，總能創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新驅動發展上邁大步、創佳績，國產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、健康報等)
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