读2025世界前沿技术发展报告50脑科学

1. 脑科学

1.1. 脑科学是研究大脑结构与功能的交叉学科

1.2. 脑科学研究有助于理解大脑的认知机制，提高脑部疾病诊治水平，同时也是诸多前沿科技发展的基础，如人工智能、脑机接口、信息科学、仿生科学等

1.3. 神经科学与技术和计算的交叉领域出现诸多新进展，创新的神经成像技术、微电子技术的进步及光学方法为研究大脑功能打开了新的窗口，为脑部疾病的致病机制提供了更深入的见解，同时也为下一代人工智能的发展提供了全新思路，以进一步弥合人类与机器智能之间的差距

2. 重要进展

2.1. 用于捕捉大脑活动的工具箱持续扩充

• 2.1.1. 美国哥伦比亚大学（Columbia University）开发出可将神经实时成像转化为视听形式的方法，为识别和分析大规模、复杂的大脑实时活动提供了新颖、直观的方法

• 2.1.2. 中国开发出实感智能计算-控制平台，可快速提取并实时分析斑马鱼全脑神经元活动，实现神经元集群活动的闭环调控，标志着基于全脑单细胞光学成像的虚拟现实、光遗传调控等技术在脑科学闭环研究领域的应用迈出了关键一步

• 2.1.3. 美国麻省理工学院开发出对人脑半球完整成像的新技术平台，能在多尺度上同时捕获大规模人脑组织中的蛋白质表达、细胞形态、神经投射和突触分布

• 2.1.4. 清华大学研发出新一代介观活体显微仪器RUSH3D，在连接微观与宏观世界的介观尺度上，取得了对哺乳动物大脑三维动态观测的重大突破，为神经科学、肿瘤学和免疫学等领域提供了新的研究工具

• 2.1.5. 瑞典开发出显微镜方法TRISCO，能够以细胞级分辨率对完整的小鼠大脑进行详细的三维RNA分析，为深入了解大脑的复杂性开辟了新途径，或将改变对正常和疾病状态下大脑功能的理解

• 2.1.6. 美国康奈尔大学为实验室小鼠开发出用于大脑研究的VR眼镜MouseGoggles

  • 2.1.6.1. 能够为小鼠提供身临其境的体验

  • 2.1.6.2. 捕捉其大脑活动的荧光图像，助力人们研究哺乳动物在环境中移动时发生的大脑活动，有望为阿尔茨海默病等疾病提供新的见解

2.2. 大脑功能和机制的新见解为脑部疾病治疗奠定基础

• 2.2.1. 美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St.Louis）发现下丘脑中的一种神经元亚群能够通过“下丘脑-脂肪组织”信号通路调控小鼠的衰老和寿命，激活并维持该信号通路可显著减缓衰老、延长寿命

• 2.2.2. 德国提出了人类大脑功能障碍连接组的概念及大脑功能失调网络图谱，将成为治疗相关大脑疾病的重要参考依据

• 2.2.3. 美国揭示了18种灵长类动物的基因表达与大脑进化之间的联系并生成图谱，助力人们更深入地了解与大脑认知和新陈代谢相关的大脑功能

• 2.2.4. 美国创建出迄今最大突触分辨率的人类大脑皮层1立方毫米片段的图谱，为在超细胞、细胞和亚细胞水平上观察脑组织提供了独特视角

• 2.2.5. 英国首次确定了大脑内精细调节头部方向的信号，为探索大脑导航和定向能力开辟了新途径

• 2.2.6. 美国博德研究所制作出迄今最大、最先进的多维基因调控网络图谱

  • 2.2.6.1. 详细介绍了大脑发育不同阶段和多种大脑疾病的基因调控网络

  • 2.2.6.2. 促进了对精神分裂症、创伤后应激障碍和抑郁症等精神障碍的理解

  • 2.2.6.3. 有助于确定精神疾病新疗法的潜在分子靶点

• 2.2.7. 美国国家卫生研究院在灵长类动物中发现了快速检测面部的大脑回路，有助于解释灵长类动物如何感知和识别面孔，增进对孤独症等疾病的理解

• 2.2.8. 韩国开发出磁遗传学技术，首次使用磁场对大脑深处特定神经回路进行无线远程精确调控，助力人们揭示认知、情感和动机等高级大脑功能的秘密，为神经疾病提供新疗法

• 2.2.9. 美国首次揭示了大脑如何学习和执行任务及应对不断变化的情况，有助于治疗和干预与记忆、决策缺陷有关的神经和精神疾病

• 2.2.10. 中国首次实现秀丽隐杆线虫大脑、身体与环境的闭环仿真，为研究大脑与行为之间的神经机制提供了重要平台

2.3. 脑部疾病治疗领域迎来更多创新解决方案

• 2.3.1. 美国开发出基于脑深部电刺激的微创疗法，使用极小的磁铁无线触发大脑中特定的基因编辑神经细胞，在不损伤周围脑组织的前提下，有效缓解帕金森病小鼠的运动功能障碍

• 2.3.2. 澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland）在小鼠模型上使用超声扫描技术，观察到小鼠记忆力得到明显提升，这意味着超声波能在大脑中引发持久的认知改善，有望应用到使用非侵入性超声治疗阿尔茨海默病的安全性试验中

• 2.3.3. 美国开发出可无线供电的植入式脑刺激器，称为数字可编程超脑治疗

  • 2.3.3.1. 相较目前的神经刺激疗法可提供更大的患者自主权和可及性，为彻底改变耐药性抑郁症等神经系统疾病提供侵入性更小的治疗方案

• 2.3.4. 美国利用改造后的弓形虫把分子量大于100千道尔顿的大型蛋白质MeCP2递送到神经元，用于治疗雷特综合征

• 2.3.5. 美国开发出新型基因疗法，可通过磁场非侵入方式精确控制特定大脑回路，为神经科学研究和帕金森病、抑郁症、肥胖症等疾病治疗提供了新途径

• 2.3.6. 美国开发出“分子GPS”​（molecular GPS）技术

  • 2.3.6.1. 能够引导免疫细胞特异性地定位到大脑，在不损伤周围健康组织的情况下有效杀死肿瘤

  • 2.3.6.2. 在多发性硬化症的小鼠模型中实现了对大脑炎症的有效抑制，为治疗神经系统疾病提供了新的思路和工具

2.4. 类脑器官提供了研究大脑功能、发育和疾病的强大工具

• 2.4.1. 美国开发出人脑类器官模型hCerOs（Human Cerebellar Organoids）​

  • 2.4.1.1. 首个具有功能性神经元的全人源小脑类器官，为进一步研究人类小脑发育、稳态和疾病提供了全新的平台

• 2.4.2. 荷兰首次利用人类胎儿脑组织开发出大脑类器官，并使用基因编辑技术在模型中模拟脑癌，有助于理解儿童脑癌和神经发育疾病，以及进行癌症药物开发和特定基因突变研究

• 2.4.3. 美国威斯康星大学麦迪逊分校首次3D打印出功能性人类脑组织

  • 2.4.3.1. 可像人脑组织一样生长和发挥作用，对研究大脑及治疗神经系统和神经发育障碍疾病具有重要意义

• 2.4.4. 美国构建出一种富含星形胶质细胞的新型人类大脑类器官模型

  • 2.4.4.1. 有助于阿尔茨海默病等神经系统疾病研究

  • 2.4.4.2. 可用于探索星形胶质细胞对大脑功能的影响方式，以及在阿尔茨海默病等神经系统疾病中如何应对压力和炎症

• 2.4.5. 美国模拟了Tau蛋白（Tubulin Associated Unit）聚集体在大脑内的传播，这一过程会导致阿尔茨海默病和额颞叶痴呆症患者认知能力下降

• 2.4.6. 复旦大学开发出冷冻保存方法MEDY（Methylcellulose，Ethylene glycol，DMSO，and Y27632）​

  • 2.4.6.1. 能够保存脑类器官和人类脑组织且不破坏神经细胞结构或功能，并用其成功复活冷冻了18个月的人类大脑

  • 2.4.6.2. 是低温技术领域的重大突破，为改进神经系统疾病的研究方法铺平道路

• 2.4.7. 美国开发出全球首个包含全功能血脑屏障（Blood-Brain Barrier，BBB）的人类“迷你”大脑

  • 2.4.7.1. 直径略超4毫米的“BBB组合体”​，可重现人脑中许多复杂的神经血管相互作用，还能反映出可能导致血脑屏障功能障碍的基因变异和其他疾病，有望增加对多种脑部疾病的理解并改善治疗方法

• 2.4.8. 天津大学构建出类器官-脑机接口（OBCI）​，为脑损伤修复带来全新思路，未来有望治疗神经退化、癫痫等更多脑部疾病

• 2.4.9. 挪威开发出可模拟线粒体功能衰竭引起的疾病过程的大脑类器官

  • 2.4.9.1. 能够帮助科学家实时观察疾病进展，测试个性化疗法，并确定新的药物靶点

  • 2.4.9.2. 为治疗如癫痫等严重脑部疾病开辟了新的途径，还可能彻底改变我们对其他复杂脑部疾病的了解

3. 脑机接口和类脑计算

3.1. 脑机接口和类脑计算在学科交叉与突破创新中蓬勃发展

3.2. 脑机接口临床试验不断发展

• 3.2.1. 随着神经科学、机器学习等技术的进步，脑机接口临床试验的发展势头强劲

• 3.2.2. 美国合作进行的脑机接口植入手术创下在活人脑中放置电极数量最多的世界纪录，达到4096根，超过该公司去年放置2048根电极的纪录

• 3.2.3. 英国男孩奥兰·诺尔森（Oran Knowlson）成为全球首位接受颅内植入电子设备来控制癫痫发作的患者

• 3.2.4. 北京天坛医院利用微创无线脑机接口帮助高位截瘫患者成功实现意念控制光标移动，成为中国在脑机接口领域的又一个突破性进展

• 3.2.5. 南开大学成功实施全球首例介入式脑机接口传感器血管内取出试验，标志着介入式脑机接口技术的安全性有了重要提升，为该技术的临床应用提供了坚实保障

3.3. 下一代脑机接口正在迎来进一步技术升级

• 3.3.1. 脑机接口技术正在向无线、微创方向迅速迈进

• 3.3.2. 美国开发出一种神经植入物，可读取大脑外层神经元的电信号，了解大脑内部深处的活动信息。该成果距离建立高分辨率的微创脑机接口又近了一步

• 3.3.3. 美国开发出带有数十个传感器的神经探针，可稳定记录大脑中单个神经元活动数，或将改变脑机接口的生物电子学设计

• 3.3.4. 韩国利用Transformer构建出尖峰重建机器学习模型Spk-Recon

  • 3.3.4.1. 可从低频神经元信号中重建准确尖峰，尖峰排序的聚类精度超96%

  • 3.3.4.2. 能更深入地分析和控制大脑功能，为开发下一代脑机接口开辟新方向

• 3.3.5. 韩国可为被试者提供适应其颅骨和大脑形状的定制配置，为脑机接口提供了生物适配的可定制的配置

• 3.3.6. 美国用聚合物头骨替代材料在人类头骨上设计了一种“定制窗口”​，允许透过人类头骨进行功能超声成像，从而大规模捕获高分辨率图像，为脑机接口发展提供了侵入性较小的方法

• 3.3.7. 美国开发出具有高时空精度的非侵入性“经颅聚焦超声”技术，显著减少了脑机接口拼写器任务的错误，最大限度地提高了脑机接口处理、解码信号的性能，实现了无创脑机接口的性能突破

• 3.3.8. 美国开发出新的脑机接口，在系统激活后几分钟内将一名肌萎缩侧索硬化症患者的大脑信号转化为语音，准确率高达97%，创下同类系统准确率的最高纪录

• 3.3.9. 美国开发出一种新型液体墨水技术，可将墨水直接打印在患者头皮上，以测量大脑活动，有望应用于非侵入性脑机接口

• 3.3.10. 美国开发生物混合神经（脑机）接口技术，将高度工程化的干细胞衍生神经元嵌入电子器件中，在体外培育后植入大脑，与大脑形成新的生物学连接，将带来可避免导线损伤和限制大脑的全新侵入式脑机接口技术路径

3.4. 类脑设备运算能效大幅提升

• 3.4.1. 荷兰构建出基于人脑内的介质水和盐的新型人造突触，不仅能模仿人脑的通信模式，还能利用相同介质，为造出能更真实再现人脑非凡能力的计算系统奠定了基础，有望研制出类脑计算系统

• 3.4.2. 清华大学构建出一款新的脑启发AI模型CTCNet（Cortico-Thalamo-Cortical Neural Network）​，实现了混合语音分离技术突破，让计算机进一步学会像人脑一样“听话”​，为计算机感知信息处理提供了新的脑启发范例，有望在智能助手、自动驾驶等领域发挥重要作用

• 3.4.3. 瑞士构建出一款新的脑启发AI模型CTCNet（Cortico-Thalamo-Cortical Neural Network）​，实现了混合语音分离技术突破，让计算机进一步学会像人脑一样“听话”​，为计算机感知信息处理提供了新的脑启发范例，有望在智能助手、自动驾驶等领域发挥重要作用

• 3.4.4. 天津大学开发出全球首个可开源的片上脑-机接口智能交互系统MetaBOC，实现了培养“大脑”对机器人避障、跟踪、抓握等任务的无人控制，完成了多种类脑计算的启发工作

• 3.4.5. 美国创造出装有人造大脑的虚拟老鼠

  • 3.4.5.1. 利用真实老鼠的数据训练人工神经网络，用作虚拟老鼠的“大脑”​，以操控物理模拟器里的虚拟老鼠，可能为设计更先进的机器人控制系统铺平道路