掘金百亿脑科学市场?看准这些研究方向和90+脑科学研究机构

2021
10/14

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动脉网对国内脑科学研究机构的盘点

10月10日是一年一度的世界精神卫生日。随着全球社会经济的发展,受到精神心理问题困扰的人群越来越多。据统计,全球脑疾病患者约占全部疾病的11%,社会负担接近人类疾病总负担的30%。其中,我国各种脑疾病患者人数近1.3亿,其中阿尔茨海默症983万,12岁以下自闭症儿童超过200万(每年新增20万),抑郁症患者超过5000万。已成为重大公共卫生问题、社会问题和民生问题。

大多数重大脑疾病都源于脑功能网络的病变,但普遍缺乏有效治疗手段,关键原因在于对人类脑功能网络和疾病相关神经环路的检测非常困难,严重阻碍了对脑疾病机制的理解。迄今为止,在人类生命体的研究中获诺贝尔奖最多的是脑科学,但大脑这个由上千亿神经细胞组成的器官与人体的关联至今还未被完全参透。

以阿尔茨海默症为例,从1998年开始,全世界先后有100种药物投入测试,但只有屈指可数几种药物获批使用,且适应人群和症状高度受限,实际效果很不理想。

为了攻克大脑疾病,从2013年开始,美国、欧盟及日本陆续开展脑科学计划:欧盟率先启动10亿欧元的“人脑计划”;随后,美国也新增45亿美元的“脑计划”。脑科学也被认为是人类未来一百年最重要的两大前沿之一。

那么,我国脑科学的发展现状如何?有哪些机构正在这一前沿阵地上进行探索?动脉网希望通过本文的梳理能够让大家有所了解。


为什么脑科学被称为是未来最重要的前沿科技之一?

广义上而言,脑科学是从生物脑的角度探究大脑的物理构成、生物机理和工作机能,是一个认识脑的过程。这些跨学科基础研究涉及最底层的单个神经元和突触的层面。我们需要深入了解大脑如何对信息加以收集、整理和保存,形成感知,进而如何将感知转化为思想、情绪、决定、行动和记忆。目前,人类对这些过程的了解非常有限,这也成为制约大脑相关疾病治疗和大脑功能开发中取得新发现的最大瓶颈。

脑科学的发展历程由来已久,早在古希腊时期,西医奠基人、古希腊著名医生希波克拉底就认为,人的情绪和感觉均源自于脑,大脑是人类神智的载体。总的来说,其发展历程可以分为启蒙阶段(16世纪之前)、萌芽阶段(16世纪初至19世纪初)、开拓阶段(19世纪初至20世纪60年代)和大发展阶段(20世纪60年代至今)。

尤其在进入21世纪以来,脑科学研究呈现大发展态势。科学家们不但揭开了视觉、嗅觉、味觉、听觉和感觉的工作原理、脑信息传递和优化处理的机制;初步揭示出精神疾病的产生机理;还成功绘制出人脑的动态发育蓝图;破译了人类大脑的两个组织轴以及脑神经元网络结构适应环境的动态机制等。

然而,我们对于复杂功能如大脑的学习、记忆、注意和决策还知之甚少,更不用说共情、自我意识、思考和语言了。这是因为人脑是地球上最复杂的物体,包括至少一千亿个各种类型的神经元,以及由1015个连接构成的复杂神经网络。

总体来说,目前的脑科学研究主要有“脑探知、脑保护和脑创造”三个目的。

其一是“脑探知”,即探知大脑的功能、结构及原理,包括大脑的物理构成、生物机理和工作机能。

其二是“脑保护”,即治疗大脑相关疾病。

由于对病源和疾病发展学方面知识不足,许多大脑疾病目前仍属不治之症。通过深入了解大脑相关机制和作用过程,科学家正试图将这些发现转换成治疗人类生理和心理病痛手段上的突破。这其中主要包含精神类疾病和脑部退化性疾病。

包括抑郁症、情绪问题、长期疼痛、精神分裂等在内的精神力疾病对认知和情感能力造成损害,并且会严重影响患者应对生活的能力。脑部退化性疾病则包含了老年痴呆症、帕金森综合症、震颤性麻痹和运动神经元疾病等对病患身体活动能力伤害巨大的疾病。

其三则是“脑创造”,即对大脑功能进行开发或借鉴大脑功能开发技术。

除了大脑疾病治疗,对于大脑功能以及运作机理的精确理解还能使我们未来有机会在多个方面利用并提升大脑的能力,甚至创造出人工大脑。这需要三个步骤。

首先,是对脑机接口技术的深入研究,构建出无缝、实时、无副作用的脑机接口,通过及时记录和解读神经元交互模式,实现完美的脑机双向信息沟通。

其次,实现大脑和机器之间的直接交流,成为增强人类能力的一种新的路径。通过AR和VR等技术,脑机接口将能帮助神经康复,制造虚拟感受,提高大脑在学习、记忆和注意力等方面的表现。

最后,对神经机制、认知结构和脑机接口进行的研究有助于在人工智能领域获得全新的突破,据此设计出能够模仿人类脑部神经元活动的全新学习模式,从而研发出更加智能的机器和机器人。

正是因为脑科学的前景,其也获得了资本的青睐。根据CB Insight的数据,2020年,脑科学领域的全球市场规模为62亿美元,预计将在2024年突破100亿美元,2020-2024年的复合增长率有望达到17%,从而成为下一个有可能为人类社会带来颠覆性影响的产业。

近5年来,全球脑科学融资事件快速增加,从2016年的238起大幅提升到2020年的323起,增加超过35%。与此同时,2020年全球脑科学融资总额也达到创纪录的50亿美元。

尽管如此,这一领域的创业企业仍然主要处于B轮及以前的中早期阶段。截至2020年,58%的融资轮次在B轮及以前。不过,进入2021年以来,进入B轮融资阶段的企业开始增加,从2020年的15%大幅提升到了24%。或许在不久后,我们就能看到实际的成效。

美国是目前脑科学研究的领跑者,无论在融资事件数量和融资额上都遥遥领先。其中,美国脑科学企业融资事件数量为883起,占同期全球融资事件的6成之多;融资总额高达110亿美元,占同期全球融资总额(161.45亿美元)的接近7成。

这其中,马斯克创立的脑机接口公司Neuralink不久前完成的C轮融资共筹得2.05亿美元资金,也是脑机接口领域迄今为止最大规模的一次融资。

2021年我国脑科学企业部分融资

我国在全球则处于第二梯队。不过,与美国相比差距还是相当大的。近5年我国脑科学企业融资额约为11.285亿美元。其中,不久前完成A轮融资的优脑银河通过多次融资累计完成了约1亿美元融资总额,是目前获得融资最多的我国脑科学企业之一。


我国脑科学奋起直追,这59个研究方向5年后将成参天大树

不难发现,虽然我国脑科学行业整体与美国存在较大差距,但在全球来看依然还是有一席之地。这与我国近年来对行业的重视密切相关。

早在上世纪八十年代和九十年代,我国就将脑科学列入了“863计划(国家高技术研究发展计划)”“973计划(国家重点基础研究发展计划)”和“科技支撑计划”,累计对脑科学研究总投入约14亿元。国家自然科学基金历年来资助脑研究的经费也有近20亿元人民币。

不过,相比发达国家和地区,我国当时的投入并不足够。20世纪80年代的主要目标是建立一个高质量的生物科学教学体系。到20世纪90年代末,我国开始大规模投资基础研究,我国脑科学才开始在国际舞台上做出一定的高水平贡献。

2008年北京奥运会的成功举办使得我国经济、社会、研究环境逐渐改善,吸引越来越多身在国外的我国年轻科学家回国发展。年轻海归的回国热潮使我国脑科学的发展进入了新阶段,在国际期刊上发表的文章也得到了快速增长。

2012年,中科院启动了B类先导专项“脑功能联结图谱计划”,每年投入经费约6000万元。脑功能联结图谱研究被认为是脑科学的战略制高点,是探索脑工作原理、揭示脑疾病发生机制,发展脑式计算的必由之路。行业普遍认为脑科学极有可能在这个方向上取得重大突破。

该计划集合了包括中科院上海生命科学研究院神经所、中科院生物物理所、心理所、遗传发育所、自动化所、中国科技大学、中科院昆明动物所、武汉物理与数学研究所、中科院深圳先进技术研究院在内多个中科院研究单位和研究团队。

这一先导专项的提出具有相当的前瞻性。仅仅一年后的2013年,欧盟与美国就相继出台了脑科学重大计划,将该领域的研究热潮推向一个新高度。

欧盟的“人脑计划(HBP)”侧重于以超级计算机技术来模拟脑功能,为人工智能的开发建立新研究平台,进一步带动仿生的发展。美国“通过推动创新型神经技术开展大脑研究(BRAIN)”计划则更加重视脑科学研究新工具和新技术的开发,从而带动基于基础性研究的新学科和新产业的发展。

此外,日本、法国、德国也纷纷提出了相关的脑科学研究计划。尽管各国脑计划不完全相同,但最终目标均是了解大脑,并将研究成果用于脑部疾病治疗和人工智能开发。国际脑科学研究方向逐渐从基于脑部结构和功能研究相关疾病转变为更加注重学科的交叉和融合。

2015年,类脑智能研究领域也被加入“脑功能联结图谱计划”专项。扩充后的专项更名为“脑功能联结图谱与类脑智能研究”,在国际上首次实现了脑科学与智能技术领域的实质性融合,为脑智科学的发展和中国脑计划的启动打下了坚实基础。

最终,该专项高质量地实施了各项研究任务,尤其在非人灵长类动物模型研究取得开创性成果,感觉、情绪和社会等级行为的神经机制研究取得突破性进展,脑功能联结图谱研究取得重要进展,在类脑智能计算模型与算法方面取得若干开创性成果。除了在Nature、Science、Cell等权威期刊发表论文,代表性成果还入选“中国科学十大进展”“中国科学十大科技进展新闻”“中国十大医学进展”和“中国科学院‘十二五’标志性重大进展”。

这一先导专项的成功实施使得我国在脑科学的整体研究水平上取得了重大进步,跻身国际先进行列;若干研究成果引领了国际脑科学和类脑智能技术的发展方向,为后续“脑科学与类脑研究”重大科研项目和发起实施“全脑介观神经联结图谱”国际大科学计划奠定了基础,起到了先导作用。

2016年,“脑科学与类脑研究”被我国“十三五”规划纲要确定为重大科技创新项目和工程之一,进入“科技创新2030重大项目”。这一项目确定了“一体两翼”的部署:“一体”是以阐释人类认知的神经基础(认识脑)为主体和核心;“两翼”则是指脑重大疾病的研究及通过计算和系统模拟推进人工智能的研究。

2018年,北京和上海分别成立了北京脑科学与类脑研究中心和上海脑科学与类脑研究中心,并启动“脑科学与类脑智能”地区性计划,开始资助相关研究项目;高校也纷纷成立类脑智能研究中心。这使得北京和上海逐渐成为了目前我国脑科学研究最为集中的地区。

2021年,我国发布了“十四五”规划,对脑科学的重视程度有增无减。在“十四五”规划中提到瞄准脑科学等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目;并在类脑智能等前沿科技和产业变革领域组织实施未来产业孵化与加速计划,谋划布局一批未来产业。

2021年,期待已久的“中国脑”计划进入了实际落地阶段。科技部正式发布《科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度项目申报指南》,并于10月9日开始项目申报。

该指南确定了脑科学与类脑研究重大项目以5年为周期,在2021年度将围绕脑认知原理解析、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术、类脑计算与脑机智能技术及应用、儿童青少年脑智发育、技术平台建设5个方面共59个研究方向,将由国家拨款经费概算31.48亿元。

科技创新2030——“脑科学与类脑研究”重大项目2021年度研究方向

在59个研究方向中,脑认知原理解析即相当于“脑探知”,总共包括22个研究方向,占比37%,也是整个研究指南中占比最多的。

认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究和儿童青少年脑智发育研究两个方面则可以划入“脑保护”,总共包含10个研究方向。等同于“脑创造”的类脑计算与脑机智能技术及应用同样包含了10个研究方向。

不难看出,目前,我国脑科学的研究方向仍然还是以“脑探知”为主要研究方向。这也与“一体两翼”的部署相符。


这90+国内脑科学研究机构将改变历史

目前,我国脑科学研究机构主要分为公立研究机构和民营研究机构。在公立研究机构中,北京脑科学与类脑研究中心和上海脑科学与类脑研究中心一北一南承担着“脑科学与类脑研究”重大项目的研究,是中国“脑计划”的前期工程。未来,随着研究的推进,一北一南两个中心也有可能合并启动中国“脑计划”项目。

根据公开的报道,北京脑科学与类脑研究中心涵盖的科研单位包括:中科院、军事科学院、北京大学、清华大学、北京师范大学、中国医学科学院、中国中医科学院等。上海脑科学与类脑研究中心则涵盖中科院、复旦大学、上海交通大学、同济大学、华东师范大学、上海科技大学等。

除此以外,作为国内脑科学研究的中坚力量,中科院下属各机构在脑科学上也有着突出的表现。目前,中科院的脑科学研究机构主要包括脑科学与智能技术卓越创新中心、神经科学国家重点实验室、模式识别国家重点实验室、脑与认知科学国家重点实验室、动物模型与人类疾病机理重点实验室、脑功能与脑疾病重点实验室。

中科院主要脑科学研究机构

自“十三五”以来,各地政府也纷纷成立了相应的脑科学研究统筹机构。比如,广东省便由广东省科技厅牵头,依托南方医科大学,并联合香港科技大学、香港大学、香港中文大学、香港城市大学、澳门大学和广州、深圳的大学与科研院所共16家单位联合共建了粤港澳大湾区脑科学与类脑研究中心。

重庆市、天津市、河南省、黑龙江省和四川省等地也成立了各自的脑科学研究中心,联合当地科研力量协调研究。

除此以外,各地高校也纷纷开展了脑科学研究。2018年,教育部启动了高等学校基础研究珠峰计划(简称珠峰计划),开始在高等学校布局建设前沿科学中心,希望实现组建世界一流创新大团队、建设世界领先科研大平台、培育抢占制高点科技大项目和持续产出引领性原创大成果的任务。

脑科学作为前沿科学自然也被纳入“珠峰计划”。2018年,教育部先后批准立项复旦大学脑科学前沿科学中心和浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心。目前,全国大部分省份都已依托各地高校建立了脑科学研究中心。

除了政府机构主导的脑科学研究机构。民营研究机构也在近年发展起来。其中,最为知名的莫过于IDG麦戈文脑科学研究院。2011-2014年,IDG麦戈文脑科学研究院已经与国内的4个单位联合建院,分别是北京大学IDG/麦戈文脑研究院(2011年)、北京师范大学IDG/麦戈文脑科学研究院(2011年)、清华大学IDG/麦戈文脑科学研究院(2013年)以及中国科学院深圳先进技术研究院与麻省理工学院麦戈文脑科学研究所合作共建的脑认知科学和脑疾病研究所(2014年)。

2016年,曾经以盛大游戏为人熟知的陈天桥宣布出资10 亿美元经费,和妻子联名成立陈天桥雒芊芊脑科学研究学院(TCCI——Tianqiao and ChrissyChen Institute),致力于脑科学研究。随后,TCCI与加州理工学院合作成立了加州理工学院-陈天桥雒芊芊脑科学研究学院。

2017-2018年,TCCI投资5亿元人民币与上海华山医院和上海精神卫生中心合建脑科学前沿实验室支持中国脑科学研究。第一个前沿实验室于2020年10月开放,位于上海华山医院虹桥院区。第二个前沿实验室于2021年宣布落成,位于上海精神卫生中心。

目前,TCCI在人脸识别、脑机接口、大脑成像、认知科学等方面均已实现了进展。

我国主要脑科学研究机构不完全名单(不包含中科院机构及北京/上海脑科学与类脑研究中心)


我国脑科学发展,任重而道远

作为未来公认的热门领域,脑科学的前景毋庸置疑;但它同时也是一门基础科学,需要长期持之以恒的大量投资和耐心、在未知中摸索的勇气以及一点运气。随着我国在最近十年逐渐重视基础科学建设并加大投资,我国在脑科学研究上已经取得了一些进展,并在一些领域达到了国际先进水平。

中科院神经科学研究所所长、脑科学与智能技术卓越创新中心主任蒲慕明院士在中国脑计划中起着运筹帷幄的关键作用。在接受《国家科学评论》(National Science Review, NSR)采访时便曾提到,未来的中国科学不会止步于“与西方国家平分秋色”。中国具有悠久的知识传统,中国科学将可以在世界上具有独一无二的独特影响力。

当然,我们仍然要清醒地认识到,与世界先进水平相比,我们无论在投资强度还是研究水平上都还有相当长的路要走。动脉网也将持续关注脑科学的最新进展,并追踪脑科学领域突破。


参考资料:

Andrew P.Wickens:A History of the Brain, From Stone Age surgery to modern neuroscience

郭爱克:文汇报:《脑科学探索:在宏观与微观间“架桥”》

Cebsit.cas.cn:中国科学院战略性先导科技专项(B类)“脑功能联结图谱与类脑智能研究” 举办结题总体验收会

中国科学院院刊:《中国脑科学和类脑智能技术的优势领域》

National Science Review:Mu-ming Poo: China Brain Project and the future of Chinese neuroscience

Deeptech深科技:《脑科学百亿市场解析:1500+公司,治病是真,永生是假,从改善瘫痪到神经诱导|深度》

创业邦:《被称为“终极疆域”的脑科学,为什么越来越重要》

第一财经:《独家|中国“脑计划”预计年底出台,投资规模比肩美国》

凝眸:中国神经科学研究机构分布

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关键词:
脑科学,研究,大脑,疾病

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