美国脑科学计划20通过推动创新型神
北京治疗白癜风最好的中医院 https://jbk.39.net/yiyuanzaixian/bjzkbdfyy/nxbdf/来源:中国科协创新战略研究院《创新研究报告》第44期（总第期）-08-09编者按：美国国立卫生研究院（NIH）于年启动了“通过推动创新型神经技术开展大脑研究（BRAIN）计划”，年正处于该计划的中间阶段。迄今为止，这种大规模的资源和时间投入在探索大脑方面已经取得了重大进展。鉴于技术的显著进步，神经科学领域将应用这些新技术，进一步研究已知的最复杂的实体之一：人类的大脑，之前完成的计划被称为“BRAIN1.0”。美国国立卫生研究院于年4月成立脑科学计划2.0工作组，并与年6月将报告《美国脑科学计划2.0》提交给美国国立卫生院咨询委员会。而“BRAIN2.0”代表了从年开始到年结束的即将进行的计划。一、计划背景年4月，美国国立卫生研究院（NIH）认识到许多科学问题和伦理问题与BRAIN计划相关，召集了NIH咨询委员会的BRAIN工作组，制定了以实现BRAIN计划的科学性、伦理性愿景为目标的战略路线图(BRAIN：科学愿景)。从年4月开始，新的BRAIN工作组回顾了之前BRAIN计划的投资和进展，并向更广泛的神经科学界和BRAIN计划利益相关者寻求建议。“BRAIN2.0”反映了BRAIN工作组的分析和建议，在BRAIN战略路线图的短期和长期目标的背景下回顾了到目前为止的成就，确定与目标的差距和新的研究机会，并提出短期研究和长期研究的目标建议。二、重点研究领域（一）发现多样性由于高通量技术和分析方法的进步，该领域的进展比预期的要快。但是目前迫切需要技术来实现有效适用于人类和其他非人的灵长类动物（Non-HumanPrimate，NHP）的大脑的细胞类型特异性靶向方法。除此之外，还要找到有效适用于其他传统生物（如老鼠）的神经科学的细胞类型特异性靶向方法。1.BRAIN2.0短期目标建议：（1）为细胞类型建立数据生态系统，以便整合神经元表型的不同方面。（2）建立统一的脑细胞类型分类。（3）实现对多物种细胞类型的遗传和非遗传操作。（4）利用细胞普查数据更新和测试神经回路功能的模型和理论。（5）开发蛋白质标签，尤其是具有跨物种适用性的蛋白质标签。（6）在保留细胞类型信息的同时，创建多尺度的细胞重建、连接和功能映射。（7）将单细胞多模态分析扩展到其他物种，包括NHP和人类大脑。2.BRAIN2.0长期目标建议：（1）整合建立细胞类型数据平台以进行理论研发。（2）在6到10个物种中，用高粒度以及遗传和非遗传的途径，进行全脑解剖解析普查。（3）支持开发模拟人脑的三维细胞系统（有机体/组装体）。（二）多尺度成像该重点研究领域的实质性进展反映在组织处理和成像方面的显著进步，使大脑区域和回路得到更加清晰的呈现。BRAIN2.0包括提高新工具的速度和效率；将分析扩展到更大的大脑区域；增加非神经元细胞类型和突触的映射；整合大脑的结构与功能映射；在获取和提炼数据方面的进展，得以促进跨物种的比较。1.BRAIN2.0短期目标建议：（1）提高清除和标记方法的通量；开发传播软件和机器学习工具，有效地分析以及生成密集三维数据库。（2）继续开展和扩展神经调节作用的研究，包括微观、中观及宏观尺度的研究。（3）改进活细胞中的跨突触顺行病毒追踪，并将病毒追踪扩展到小鼠大脑以外的模型。（4）在啮齿动物和NHP的大脑研究中，将光学成像和电生理学与功能磁共振（fMRI）方法相结合。（5）继续努力绘制个体动物大脑的结构和功能图。（6）通过使用核磁共振（MagneticResonanceImaging，MRI）、其他电磁方法或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethyleneterephthalate，PET)从而加深对大脑微观结构的无创测量的理解。（7）从结构和功能测量中可重复性地描述个体大脑差异（包含整个生命周期）。2.BRAIN2.0长期目标建议：（1）在电磁水平整体评估全小鼠大脑连接体，整合死亡前获得的体内功能和分子这两者之间的相关性。（2）从功能特征明显的个体动物的大脑中获取完整的灵长类动物(NHP，然后是人类)大脑投射图。（3）实现全脑、高分辨率（时空）、不受快速梯度切换和高场射频线圈生物学限制的功能性磁共振。（4）应用机器学习方法比较小鼠及人类大脑的同源区域。（5）使用改进的高通量清除和标记方法，以及快速连续切片电磁工具研究人类皮层和皮下结构。（6）建立高通量模式，为关键的分子靶点（如神经调节受体、突触）开发和应用新型PET示踪剂。（7）结合载体和离体数据，建立人体大脑结构和功能之间的基本联系，包括自然变异的作用。（三）活动的大脑BRAIN2.0的潜在发展机会包括进一步了解神经调节功能的能力；研究较大（灵长类）大脑的工具；复杂的计算工具，以更好地评估行为（尤其是在自然环境中）。1.BRAIN2.0短期目标建议：（1）探索短期和长期行为期间不同细胞类型、神经调节剂和神经活动之间的实时相互作用。（2）通过开发神经活动的近红外光声兼容指标，将超声方法与直接感知神经活动相结合。（3）开发新的NHP大脑记录和成像技术。（4）开发新的工具用来分析原始的和后天训练过的行为。（5）开发新的工具用来连接某种行为，以及大脑对应这种行为的数据记录。（6）整合在模型系统之间的技术开发和信息传递。（7）继续推进电生理技术。（8）继续研发光学记录技术。（9）开发更好的记录细胞活动的光学仪器。（10）建立动态方法，实时检测特定神经肽在体内的释放。（11）开发标记活跃神经元的方法。（12）在人类大脑回路分析的研究中，将神经伦理学的讨论和建议贯穿到整个实验和研究过程。2.BRAIN2.0长期目标建议：（1）测量必须同时记录的细胞数量，在给定的精度水平上解释特定的行为。（2）开发分析工具，建立大规模神经群体活动和复杂行为之间的因果关系。（3）人脑中高速神经活动的成像。（四）证明因果关系BRAIN2.0准备在单细胞控制、纳米技术和机器学习方面抓住新的研究机会。该重点研究区域旨在推出介入技术，以测试结构和功能之间的因果关系。这种方法已经成为理解基础复杂的生命系统是如何工作的基础，并在过去的一个世纪里推动了生物学的显著进步。1.BRAIN2.0短期目标建议：（1）建立在移动动物和深层神经结构中进行精确单细胞光遗传学控制的方法。（2）在哺乳动物中，测量以可检测的方式改变行为所需的最少神经元数量。（3）测量特定的不适应行为障碍的因果回路，如成瘾、社会认知障碍、攻击性和强迫行为。（4）扩展能够在模型生物（啮齿动物和果蝇）中进行复杂行为分析的机器学习算法。（5）制定策略，对特定回路动态进行定量的、可调的实时扰动。（6）校准扰动与自然发生的信号（大脑状态、行为状态、回路状态），以测量时间和环境变化对行为的影响。（7）结合实验和理论，预测和控制扰动的行为后果。（8）确定感兴趣的关键适应性行为的因果路径，如认知、运动规划、感觉知觉和动物自然行为。（9）解决遗传扰动工具在灵长类动物身上的挑战，因为它们的效果远不如啮齿类动物。（10）通过实时的神经系统整合分析，使神经回路操作和活动记录之间直接关联。（11）将新兴的扰动工具应用于目前难以通过既定技术研究的回路，例如深度和分布式脑回路。（12）整合扰动技术与BRAIN计划的其它关键技术。（13）支持神经伦理学研究（概念性和经验性的），将神经伦理学家纳入研究团队，以解决通过直接控制大脑回路来改变人类行为所引起的神经伦理学问题。（14）确保公平参与研究，研究结果可能波及到大量人群。（15）阐明更接近人类生理的NHP模型的伦理含义，随后根据研究结果制定指导方针。2.BRAIN2.0长期目标建议：（1）通过识别模型生物体中细胞的分子特性，然后绘制相应的生理和行为图谱，跨物种来验证进化保护，建立动物和人类之间深刻的概念联系。（2）将基于纳米材料的技术应用于神经回路研究，将这些技术从离体和小型应用中提取出来，应用于回路解剖的行为实验中。（3）基于对大脑动力学因果关系的深入理解，开发新的神经精神疾病诊断和治疗设计方法。（4）每年将多个单细胞扰动的规模提高大约一个数量级。（5）开发并应用声学和磁性方法来进行扰动和读出大脑深处的区域。（五）确定基本原则在生物学中，原理性的目标是创建实验以观察到概念框架，然后根据这些来建立预测模型。在神经科学领域，对理论的需求尤为迫切，复杂性非常高。破译大脑的可观察属性和大脑的底层算法，这些结构以及它们的动态变化是理解、诊断和设计对疾病的处理方法。在BRAIN2.0中，将更多地
