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神经科学领域前沿技术与发展趋势

时间: 2017-07-22阅读:

来源:战略前沿技术

概要:全面把握神经科学领域国际、国内发展动向、大趋势,理清国内发展关键差距的重要性日益突出。

 

编者按:近年来,学科间的交叉会聚越来越明显,科技创新成果层出不穷。我国科协与生命科学学会联合体、能源学会联合体、信息科技学会联合体、军民融合学会联合体、智能制造学会联合体联合,通过长期的跟踪研究,把握世界科技前沿动态,并定期以“我国科协创新智库产品”发布报告。本文主要介绍神经科学领域研究动态,为科技管理人员了解国内外生命科学的前沿技术及发展趋势提供决策咨询,也为研究与开发人员提供综合的参考信息。


一、神经科学领域热点前沿技


神经科学问题是人类理解自然和人类本身的“终极疆域”。有预测指出,21世纪将是神经科学的时代,大国间竞争博弈日趋激烈。全面把握神经科学领域国际、国内发展动向、大趋势,理清国内发展关键差距的重要性日益突出。下面就来了解神经科学的九大前沿技术:


1. 以光遗传学为代表的神经环路解析技术


伴随不断升级的技术改造,光遗传学工具可以对参与细胞各种重要功能的各类蛋白的功能和定位、细胞信号转导事件进行操控,从而更快建立生物有机体不同层次生物学事件的关联。


在未来的数年或数十年内,包括光遗传技术在内的生物学现象精细调控工具,将会改变整个生物医学的面貌,而且将作为一种新兴的医疗手段得到广泛的应用。


2. 新型整体透明成像脑结构成像技术


使用一种凝胶取代脂质分子,能保持神经元、其他脑细胞及细胞器完整,通过消除脂肪可以使大脑组织透明,从而使错综复杂的大脑结构呈现出来。可以预期,整体透明成像技术和新型染色方法,如CLARITY及类似Scale试剂或SeeDB光透明法等将开启脑研究成像新时代。


3. 新型超高分辨率高通量显微镜技术


用这种高度并行的超高精度设备,随着时间推移,研究者可以监测到一个表达融合蛋白的神经元的神经突生长过程。其中超高分辨率的每一帧都是在2s内测出的,这使得这一生长过程在高空间分辨率和高时间分辨率下被监控。


4. 高精度、大范围神经活动监测技术


对神经元集群活动的大范围实时观察,目前通用的神经电活动观测方法是单通道或多通道微电极。这些方法所能记录到的神经元数量有限。有望能开发出新一代对细胞膜电位变化敏感、有高信噪比、能分辨单个动作电位(毫秒级)的荧光分子或纳米粒子探针,可以特异性地标记各种类型的神经元,从而实现高时空分辨率、大范围神经元集群电活动的同时检测。


5. 解析人脑正常功能和诊治神经精神性疾病的成像、刺激、接口技术


许多应用于实验动物的研究方法不能在人类中展开,因而很难转化成对人的神经精神性疾病的有效诊断、预防和治疗。核磁共振成像(MRI),辅以脑电图(EEG)和脑磁图描记术(MEG)满足发展解析人脑正常功能和神经精神性疾病的技术需要。


改进现有非入侵成像技术,达到更高时空分辨率;推动与其他技术整合,如与示踪剂技术、体外检测或在体监测技术相结合;推动包括深部脑刺激术、经颅磁刺激(TMS)、脑机接口技术在内的人脑监测和刺激的技术开发。


6. 计算神经科学技术


神经系统、脑高级功能是一个异常复杂的动力学系统,具有多种反馈机制和多层时空结构,它的行为不能仅仅依靠直觉来理解,必须从定量分析和从概念上深入阐明。

建立计算神经科学,不仅对于实现建设世界一流的神经科学的目标必不可少,还对很多其他相关领域,特别是机器学习、机器人技术及神经工程学的发展,将产生巨大的促进作用。


7. 类脑计算芯片技术


类脑计算芯片将实现两个突破:一是突破传统“执行程序”计算范式的局限,有望形成“自主认知”的新范式;二是突破传统计算机体系结构的局限,实现数据并行传送、分布式处理,能够以极低功耗实时处理海量数据。


如果研究进展顺利,类脑芯片将成为自个人电脑诞生以来,整个计算机行业最大的一次变革。也许,未来计算机不仅只依靠计算速度和海量数据库进行工作,它们还能真正进行“认知”与“思考”,这将改变计算机常规工作模式,探索更多领域。类脑计算芯片在国防领域应用中将发挥重要作用,并有望最先用于武器装备。


8. 推动对大脑高级认知情感功能的认识


解析“脑认知功能网络”是最终阐明智力及其障碍的必由之路,将揭示脑的工作原理、认识人类自身,提升和扩展人的智力和创造性,推动智能科学技术进步。将为相关精神疾病临床干预和类脑人工智能产品研发带来巨大的潜力。


9. 重大脑疾病基础研究和药物开发等


这项研究首次表明人的神经细胞会摄取病理性α-突触核蛋白,从而使疾病从一个细胞转移到下一个细胞。从临床学角度解释了为什么帕金森症患者病情越来越恶化,并发展出新的症状。具有重大的临床实践意义,能够为这种疾病的治疗提供依据。


二、神经科学领域的主要发展方向


1.神经科学逐渐融入社会,对经济社会发展影响越来越大


神经科学的进步不仅有助于人类理解自然和认识自我,而且对有效增进精神卫生和防止神经疾病、护航健康社会,发展脑式信息处理和人工智能系统、抢占未来智能社会发展先机,都十分重要。


2.阐明神经科学的内在规律,需要开展多学科、多层次的研究


神经科学的发展历程表明,要了解复杂的神经活动,揭示脑的奥秘,任何单一学科的研究所能提供的材料都是非常局限的,必需多学科配合来进行研究。对一些重大问题的研究必需在不同层次上进行。


3.变革性技术推动神经科学发展进入新的黄金时期


与遗传学、化学、物理学、材料学、工程学、计算科学、数学、心理科学、社会学以及其他基础学科的高度跨学科交叉,NBIC(纳米科技、生物技术、信息技术、认知科学)会聚技术、生物大数据、第四范式概念的提出等,为记忆、思维、意识和语言发生等重大神经问题提供了全新的研究思路和有效方法。


4.新发展起来的神经免疫调节学、计算神经科学等边缘学科不断出现


神经免疫调节学、计算神经科学、神经经济学等这些边缘学科的出现打破了过去旧的学科界限,提出了新的概念。对神经系统的活动有了新的认识,从而推动了神经科学及临床学科、相关应用的深入发展。


5.发达国家越来越重视从战略上进行神经生物学的规划和布局


神经科学的发展需要众多学科专门人才的参与,也需要大量的经费投入。故需要加强长远规划,增强经费支持,才能把神经科学的研究推向前进。从具体实践上看,美、英、德、法、日、韩等发达经济体,通过出台专项规划、战略计划,注重从战略上推进神经生物学的布局,竞相拨巨款支持神经科学的研究外,研究领域不断拓宽,研究队伍也不断扩大。


6.神经科学相关技术本身存在“两用性”风险越来越值得关注


神经科学相关技术本身存在“两用性”风险,其在医疗卫生、军事、教育等方面的应用可能会引发一系列的安全、伦理和法律问题。


如英国皇家学会指出,以失能为目的的神经药理学和其他相关技术的研究会违背人道主义法,医学界参与失能武器的开发和部署将严重影响医学伦理的基本前提,化学失能剂也可能成为“进攻性、致命性失能剂”的伪装,并且化学失能剂的投送方式也可能被致命性化学武器所使用等。


光遗传技术:21世纪


神经科学领域最引人注目的革新!


摘要:光遗传学(optogenetics)是近几年正在迅速发展的一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术,其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,eBR,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。光遗传技术克服了传统只用光学手段控制细胞或有机体活动的许多缺点,为神经科学的研究提供了一种变革性的手段。 目前,科学家已找到可用于控制细胞行为的光敏蛋白,并开发出具有各种功能的检测工具,同时,随着光传导技术的发展,使得对生物研究的演示(不论是其体内还是体外)的控制程度达到了前所未有的水平。两者并驾齐驱,让科学家们利用光遗传学在生命科学领域取得了空前的成就。本文生物谷小编就为大家慢慢道来,一起学习进步。


光激活的CRISPR-Cas9系统


人们熟知的基因编辑工具CRISPR不断地在带给我们新的研究成果。许多研究人员利用CRISPR的同时,也在专注改进这一技术。通过CRISPR与光遗传学的结合,科学家们构建出了一种系统,利用光开关激活单个基因或蛋白。德克萨斯大学西南医学中心生化学家及细胞生物学家Laura Motta-Mena,利用来自细菌的光激活转录因子,激活了一系列有机物的基因。

由东京大学Moritoshi Sato和杜克大学


Charles Gersbach带领的两项研究,开发出了基于CRISPR-Cas9的转录激活系统,利用光激活以CRISPR-Cas9为基础的基因目标,以此实现高精度控制基因编辑或表达。该系统包括一对融合蛋白:一个蛋白把灭活Cas9蛋白结合到一个称为CIb1的蛋白,另外一个蛋白将一个转录激活结构域结合到隐花色素2(CRY2)。用蓝光照亮表达这两个蛋白质的细胞和引导性RNA,可使两个蛋白质片段配对,将转录激活结构域拴在DNA上,并激活转录。本设计为以前这种构成性的合成转录因子引入了一种调控机制。这两项研究分别发表在Cell旗下子刊《Cell Chemistry & Biology》、Nature旗下子刊《Nature Chemical Biology》。


光来操控神经元


去年5月,在Cell杂志上发表的一篇新论文中,由光遗传学之父、斯坦福大学Karl Deisseroth教授带领的研究小组,采用两项变革性研究技术:光遗传学和CLARITY,来展示前额回路如何处理彼此根本不同的正面和负面体验、它们如何发挥作用以及它们如何连接到大脑的其他部分。


CLARITY是一项了不起的化学工程壮举,这样技术保留了大脑3D结构、神经回路及其他生物机制的完整性,展现了大脑中复杂的精细连接和分子结构。在此基础上,人们可以根据需要通过光或化学物质进行研究。在光遗传学中,研究人员控制了活体动物体内特定的神经元,然后,该研究团队能够评估这些特定的神经元是如何影响行为结果的。



通过在同样的实验中联合两种技术,研究人员不仅能够确定,正面体验的细胞的分子签名不同于那些负面体验的细胞——可卡因和巧克力与产生一个特定分子标记(称为NPAS4)的细胞有关,而且积极和消极体验的细胞能够以两种根本不同的方式,被连接到大脑中遥远的部位。这项研究成果被称为革命性的突破。


另外,研究人员还在海藻中发现了一种紫红质通道蛋白(channelrhodopsin),相比于以往开发的工程通道它能够更快地抑制神经元活动。这为在光遗传学中更精确地抑制细胞放电打开了新选项。


科学家们还开发出了一种方法在光遗传学控制下给予神经元即时反馈,将它们的活性维持在一个所期望的状态。这一“神经自动调温器”可在24小时内控制细胞放电速度常数。就像自动调温器响应温度一样,如果放电速度偏离了编程到电脑中接收电极信号的理想速度,会立即调整光强度补偿这一改变。


光控制基因的新型疗法准备进入临床试验


近日,来自Circuit Therapeutics公司的研究人员通过对小鼠腿部的神经打结来使得小鼠对触碰产生过敏反应,但当研究者戳动小鼠脚并且照射黄光时,小鼠就不会产生反应。


这种疗法是一种近年来利用光遗传学进行临床使用的方法,光遗传学是利用光来控制基因的表达及神经冲动;今年3月份,RetroSense Therapeutics公司就开始利用光遗传学疗法进行首个临床安全试验来治疗视网膜色素变性。


很多科学家都期待这项临床试验的结果,以帮助他们进行后期的研究计划以及光遗传学的不同应用;来自华盛顿大学的研究者Robert Gereau说道,如果传来好消息的话或许会让很多研究者鼓足勇气继续深入研究下去,而且相关的临床试验还为阐明治疗神经性疾病的新型疗法提供了一定线索。


未来光遗传技术将成为医疗界人人都会使用的技术。2017年6月16-17号,由生物谷主办的2017光遗传学与疾病研究研讨会将在上海好望角隆重召开。本次会议邀请了神经环路重大研究计划专家、光遗传技术与基础研究相关国内外高校及研究所专家、神经系统疾病研究者、非神经系统疾病研究领域人员等齐聚一堂,围绕光遗传技术研究进展、光遗传技术在神经系统和非神经系统以及多学科领域中的应用方向进行深入的交流与探讨,帮助从事光遗传技术开发的科研工作者们和临床疾病研究工作者紧密合作,推广光遗传技术在神经领域和多学科领域中的应用,为广大的科学研究者们提供宽广的交流和合作平台。


来源:战略前沿技术


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