【儀器網(wǎng) 時(shí)事聚焦】如今，人類(lèi)對(duì)自然的探索范圍已經(jīng)達(dá)到了“上九天攬?jiān)?，下五洋捉鱉”的地步，但對(duì)于大腦這個(gè)重量?jī)H占人體總重量2%的器官，卻了解甚少。腦是人體最為復(fù)雜的器官，揭示腦的奧秘被認(rèn)為是生命科學(xué)研究的“終極疆域”。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者們開(kāi)始鉆研腦科學(xué)，我國(guó)的腦科學(xué)研究者們也不例外，在這場(chǎng)科技角逐中嶄露鋒芒。
腦科學(xué)從狹義上來(lái)說(shuō)就是神經(jīng)科學(xué)，主要是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)胞水平、細(xì)胞間的變化過(guò)程，以及這些過(guò)程在中樞功能控制系統(tǒng)內(nèi)的整合作用而進(jìn)行的研究。從廣義上來(lái)說(shuō)，就是研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的一項(xiàng)科學(xué)，其中還包括認(rèn)識(shí)神經(jīng)科學(xué)等。
其實(shí)，了解大腦結(jié)構(gòu)的極大部分實(shí)際應(yīng)用，是為了可以更好地了解大腦中哪些細(xì)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(dòng)了特定類(lèi)別的神經(jīng)元或其他腦細(xì)胞，而不是均勻地影響整個(gè)大腦。若是能夠利用相關(guān)的儀器設(shè)備對(duì)大腦進(jìn)行觀察，匯總齊腦細(xì)胞類(lèi)型的完整列表，并且能夠觀察腦細(xì)胞的死亡、失控生長(zhǎng)或是改變其在腦部疾病中的進(jìn)程，那么對(duì)于人類(lèi)的疾病來(lái)說(shuō)是有著重大意義的。
近年來(lái)，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(lái)越多的關(guān)注，患者的數(shù)量也在劇增，由腦疾病所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和社會(huì)負(fù)擔(dān)越發(fā)嚴(yán)重，已經(jīng)成為我國(guó)人口老齡化面臨的重要社會(huì)問(wèn)題之一。但是根據(jù)目前的科技情況來(lái)看，腦疾病發(fā)病機(jī)制依舊不清晰，其診治仍然是重大醫(yī)學(xué)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(xué)“剛需”之急
這些年來(lái)，科學(xué)家們不斷將電、磁、光等技術(shù)與神經(jīng)科學(xué)相結(jié)合，研制出了腦深部電刺激、磁刺激、光遺傳學(xué)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(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)、精準(zhǔn)對(duì)大腦深部進(jìn)行有效調(diào)控仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何開(kāi)發(fā)出一種適用于靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物和人類(lèi)、可無(wú)創(chuàng)到達(dá)大腦深部的刺激與調(diào)控工具，是腦學(xué)科所面臨的的“剛需”。
利用超聲波來(lái)操控神經(jīng)元活動(dòng)并非是一種天方夜譚的想法。醫(yī)學(xué)上一向就有利用超聲波在人體組織中的波散射來(lái)成像，即B超。甚至早在幾十年前就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，超聲波能夠通過(guò)“聲
輻射力”讓聲場(chǎng)中的微小顆粒產(chǎn)生移動(dòng)。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鄭海榮團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)“基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經(jīng)調(diào)控儀器”進(jìn)行自主研發(fā)。
這種儀器，不僅國(guó)際上沒(méi)有，連器件和部件在國(guó)際市場(chǎng)上也買(mǎi)不到現(xiàn)成的，鄭海榮團(tuán)隊(duì)只能利用基礎(chǔ)材料、元件和芯片，在深圳自主設(shè)計(jì)、自主加工、自主調(diào)試和驗(yàn)證。然而，困難的不僅僅是“原創(chuàng)”儀器，科學(xué)和工程才是研究之路上的“攔路虎”。為了讓超聲波安全“穿過(guò)”顱骨，團(tuán)隊(duì)們引入非均勻多層介質(zhì)中的“時(shí)間反演”理論，對(duì)每一個(gè)聲信號(hào)通道的時(shí)空傳播特征進(jìn)行模擬、計(jì)算、調(diào)控與調(diào)試，從而去實(shí)現(xiàn)各通道間納米級(jí)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(cè)到超聲輻射力給神經(jīng)元帶來(lái)的4~5微米的精細(xì)變化，也是一道難題。而鄭海榮團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持不懈開(kāi)展攻關(guān)，發(fā)揮磁/聲兼容的優(yōu)勢(shì)，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(cè)超聲輻射力刺激引起的微形變。
這臺(tái)儀器共有4個(gè)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(shí)間反演控制部件、磁共振導(dǎo)航超聲刺激定位部件和多模態(tài)刺激反應(yīng)監(jiān)測(cè)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(gè)陣元的面陣列超聲輻射力發(fā)生器。
這臺(tái)由內(nèi)到外純粹“中國(guó)制造”的高端儀器，不僅讓上萬(wàn)個(gè)超聲通道“齊心協(xié)力”安全地穿過(guò)顱骨，精準(zhǔn)聚焦在預(yù)定靶點(diǎn)，而且不引起腦組織損傷，還有效地提高了磁共振成像的時(shí)空分辨率和靈敏度，實(shí)現(xiàn)磁共振對(duì)于聲波軌跡和靶點(diǎn)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(duì)不同病種的個(gè)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(zhuān)家深度合作。但早已有超過(guò)40家國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)使用了超聲刺激儀器，并且主要應(yīng)用在有癲癇、帕金森病、抑郁癥、成癮等疾病的小動(dòng)物和非人靈長(zhǎng)類(lèi)大動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，其有效性和安全性得到了驗(yàn)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(xué)家對(duì)科學(xué)進(jìn)行探索而使用的工具，科研儀器的迭代更新能夠讓科學(xué)家們有更多的機(jī)會(huì)去獲得從前“未知”的新知識(shí)和新線索，過(guò)去無(wú)法看到的現(xiàn)象或是獲取不到的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們從中總結(jié)出新的科學(xué)規(guī)律，解答了從前回答不上的問(wèn)題。近年來(lái)在我國(guó)科技的不斷發(fā)展之下，這些“不能”都成為了“能”。
我們常說(shuō)當(dāng)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(guó)競(jìng)爭(zhēng)力的消長(zhǎng)和全球的競(jìng)爭(zhēng)格局，科技創(chuàng)新也逐漸成為大國(guó)之間博弈的主戰(zhàn)場(chǎng)。我國(guó)同樣高度重視科研創(chuàng)新，2021年，我國(guó)研發(fā)投入達(dá)2.79萬(wàn)億元，研發(fā)投入強(qiáng)度達(dá)2.44%，比上年增加14.2%。國(guó)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(guó)高新技術(shù)企業(yè)數(shù)量達(dá)到33萬(wàn)家，科技型中小企業(yè)數(shù)量達(dá)32.8萬(wàn)家。
但我國(guó)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(fù)、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(guó)也紛紛出臺(tái)政策，不斷完善高效、協(xié)同、開(kāi)放的國(guó)家創(chuàng)新體系，統(tǒng)籌科技創(chuàng)新與制度創(chuàng)新，健全社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下新型舉國(guó)體制，以促進(jìn)各類(lèi)創(chuàng)新主體緊密合作、創(chuàng)新要素有序流動(dòng)、創(chuàng)新生態(tài)持續(xù)優(yōu)化、提升體系化能力和重點(diǎn)突破能力，增強(qiáng)創(chuàng)新體系整體效能。
市場(chǎng)監(jiān)管總局發(fā)布的《“十四五”市場(chǎng)監(jiān)管科技發(fā)展規(guī)劃》中多次提及檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)及儀器裝備的研發(fā)規(guī)劃。規(guī)劃中重點(diǎn)提及，要圍繞檢驗(yàn)檢測(cè)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大、檢驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)攻克快速檢測(cè)、智能檢測(cè)、在線檢測(cè)、云檢測(cè)等急需關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)常態(tài)防范、高場(chǎng)景適應(yīng)性和先進(jìn)智能化技術(shù)及裝備；圍繞食品安全監(jiān)管開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)、快速、綠色檢測(cè)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(zhǔn)、智能檢測(cè)儀器裝備，以及攻克計(jì)量科學(xué)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(xué)儀器研發(fā)資助政策。科技部基礎(chǔ)研究司對(duì)“基礎(chǔ)科研條件與重大科學(xué)儀器設(shè)備研發(fā)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)2022年度項(xiàng)目申報(bào)指南公開(kāi)征求意見(jiàn)，重點(diǎn)支持高端科學(xué)儀器工程化研制與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，研制可靠、耐用、好用、用戶(hù)愿意用的高端科學(xué)儀器，切實(shí)提升我國(guó)科學(xué)儀器自主創(chuàng)新能力和裝備水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展，支撐創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施；中科院西安光機(jī)所所級(jí)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(guó)家基礎(chǔ)研究與科技創(chuàng)新重大戰(zhàn)略需求，安排專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)支持高端科學(xué)儀器國(guó)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(xué)上的重大成果，同時(shí)也是我國(guó)自主科研創(chuàng)新的一項(xiàng)重大突破。這臺(tái)由內(nèi)到外純粹“中國(guó)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(jī)制不再是一件高不可攀的事，讓“原創(chuàng)之風(fēng)”在科研儀器領(lǐng)域刮起颶風(fēng)。科技創(chuàng)新就像撬動(dòng)地球的杠桿，總能創(chuàng)造令人意想不到的奇跡，在各項(xiàng)政策紅利的激勵(lì)下，廣大科技工作者正在創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展上邁大步、創(chuàng)佳績(jī)，國(guó)產(chǎn)科研儀器終將迎來(lái)突圍時(shí)刻！
(資料參考來(lái)源 ：中國(guó)科學(xué)報(bào)、科技部、人民網(wǎng)、健康報(bào)等)
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