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“癫痫与脑科学”背景材料--癫痫打开“探索人脑秘密”的大门

“癫痫与脑科学”背景材料--癫痫打开“探索人脑秘密”的大门

一、二十一世纪是“脑科学”的世纪

人类生活于两个“宇宙”中,一个是外在的宇宙,即浩瀚无垠的星际宇宙;一个是内在的“宇宙”,即由上千亿个神经细胞组成的脑。脑内每个神经细胞可以与其他神经细胞产生大约 1000 个联系,形成 100 万亿个突触,数量之繁密,胜过整个银河系的星辰,从而构成了极其复杂的神经网络。所以,人们形容“大脑之美,状若银河”。

科学的发展一直向着宏观和微观两个方面发展。宏观一面,例如通过“中国天眼”(500米口径球面射电望远镜),人们还在发现无比遥远的新星系;微观一面,对于人脑内分子、原子以致量子科学的秘密,也在更深入的挖掘之中。

“作为人类,我们能够确认数光年外的星系,我们能研究比原子还小的粒子,但我们仍无法揭示两耳间三磅重的物质(指大脑)的奥秘”【注:美国前总统奥巴马语】。“两耳间三磅重的物质”也被戏称为“三磅的宇宙”,难以琢磨又令人神往。

脑科学是人类理解自然界现象和人类本身的“最终疆域”,是本世纪最重要的前沿科学之一,因此医学与生物学界把二十一世纪称为脑科学世纪。科学界甚至认为,把研究人脑的神经科学称为“人类科学最后的前沿”也毫不为过【注:中国脑计划首席科学家蒲慕明】。脑科学是引领未来新的经济增长点及科技革命的前沿技术。脑科学技术的发展对人类的健康、新一代人工智能技术及新型信息产业的发展等具有非常重要的意义,是国际科技竞争的重要战略领域。世界各国与国际组织普遍重视脑科学研究,纷纷制定相应的脑研究计划,并积极开展跨学科、跨领域间的国际交流与合作,抢占新一轮科技革命发展的制高点。【注:军鹰资讯 2018-05-15】

目前比较著名的脑科学研究计划有:

(1)美国“BRAIN计划”。 2013年4月,美国宣布启动“推进创新神经技术脑研究(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN)计划”,简称“BRAIN计划”。其目的是描绘出大脑活动的动态图像,对大脑功能和行为之间的联系进行研究,并了解大脑对信息记录、处理、应用、存储和检索的过程,改变人类对大脑的认识;进而找到治疗、治愈脑部疾病的新方法。该计划为期10年,前5年主要侧重于技术开发,而后5年主要关注于技术的整合。

(2)欧盟“人脑计划(HBP)”。欧盟“人脑计划”(Human Brain Project,HPB)是由“蓝脑计划”(Blue Brain Project)发展而来。“人脑计划”将持续10年,欧盟委员会和参与国将提供近12亿欧元的经费支持。其重点研究领域包括:绘制人脑图谱并实现人脑模型的建立;促进新的治疗手段和药物的开发;此外还有一个“伦理和社会项目”,研究实现该项目的过程中所可能带来的伦理和社会问题。

(3)日本脑计划。日本在2014年6月启动了其“国家脑计划”Brain/MINDS(Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies)。该计划将在10年内受到日本文部科学省以及日本医疗研究开发机构总计400亿日元(约合3.7亿美元)的资助。其核心任务是狨猴大脑的研究,从微观的基因分子水平到宏观的脑电观测。狨猴可以通过基因修饰模拟脑部疾病,这对精神类及神经类疾病的诊断和治疗带来帮助。

(4)我国脑科学研究情况。2015年,中国科学家对脑科学与类脑研究的部署达成了“一体两翼”的初步共识,即以研究脑认知的神经原理为“主体”,研发脑重大疾病诊治新手段和脑机结合智能新技术为“两翼”。 通俗易懂的理解,“中国脑计划”就是从“了解脑”、“保护脑”、“模仿脑”对大脑功能进行探索并应用于人工智能等方面。也就是说,我国脑计划主要有两个研究方向:一是以探索大脑秘密、攻克大脑疾病为导向的脑科学研究;二是建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究。2016年,我国将“脑科学与类脑研究”的中国脑计划,作为重大科技项目列入国家“十三五”规划,资助时间长达15年(2016~2030年)。

2017年8月31日,中科院召开 “脑功能联结图谱与类脑智能研究”结题总体验收会,在非人灵长类动物模型研究,感觉、情绪和社会等级行为的神经机制研究,脑功能联结图谱研究及在类脑智能计算模型与算法研究方面取得较大进展。脑疾病模型猴的制作将为脑疾病的机理研究、干预、诊治带来前所未有的光明前景。

脑机接口是脑研究中的热点和难点,是在人脑与外部设备间建立的直接连接通路,它研究如何用神经信号与外部机械直接交互的技术,即通过意念来支配机械臂或重建受损的视觉、听觉、运动等功能,进一步向人工智能发展。目前脑机接口可以分为非侵入性和侵入性两种方法,其中非侵入性脑机接口采集的是头皮脑电图,精确度较低,而侵入性脑机接口需要在颅内植入电极,精确度高。

目前,我国脑科学计划的研究方向基本上是确定的,但是对具体的研究内容和研究目标还需进一步明确。因此,推动具有中国特色、体现自身优势、满足国情需求的脑计划,是我国脑科学未来的发展方向。【注:主要引自 军鹰资讯】

二、关于癫痫

癫痫是脑的疾病,是仅次于脑卒中的常见慢性神经系统疾病,以脑神经元过度放电导致反复性、发作性和短暂性的中枢神经系统功能失常为特征。癫痫在任何年龄、地区和种族的人群中都有发病,但以儿童和青少年发病率较高。在我国癫痫的患病率为7‰,据此估算我国的癫痫患病人数不小于900万。近年来随着我国人口老龄化,脑血管病、痴呆和神经系统退行性疾病的发病率增加,老年人群中癫痫发病率已出现上升的趋势。

癫痫对于个人、家庭和社会带来严重的负面影响。社会公众普遍存在对癫痫病的误解和对癫痫患者的歧视,癫痫发作给患者带来生理痛苦的同时也带来了极大的心理问题,严重影响患者和家庭的生活质量;长期服用抗癫痫药物及其它诊治费用给家庭带来沉重的经济负担;同时,癫痫患者的教育、就业、婚姻和生育等问题,也值得特别关注。世界卫生组织已将癫痫列为重点防治的神经、精神疾病,日益成为备受关注的公共卫生问题和社会问题之一。

2015年,第68届世界卫生大会通过了专门针对癫痫病的“WHA 68.20决议”,号召各国在国家层面开展癫痫防控的协调行动,今年5月第71届世界卫生大会,又专题讨论了世界卫生组织总干事对该决议的实施进展报告,再次推进了全球癫痫防控的行动。

近些年来,基于神经电生理、神经影像学技术和基因组学等的发展,我国对癫痫发病机制的研究越来越深入,多种新型的抗癫痫药物的应用和外科手术方法的改进与推广等也都有长足的进步。特别是近年来,立体定向脑电图技术、神经调控技术、癫痫精准医疗等在我国稳步开展,使癫痫控制率和治愈率不断提高。

三、癫痫与脑科学的关系

癫痫是脑的疾病,它的“脑属性”决定了它与脑科学的紧密关系。让我们分析一下癫痫在探索人类大脑秘密中的地位和重要性:

脑科学研究是存在无限可能性的领域,而癫痫病是在体研究脑功能的最佳平台,在体人脑多尺度脑电生理是其他任何疾病无法提供的研究脑功能的独特手段。由于癫痫病是一种“纯属”脑部的疾病,它的病因、症状、诊断、治疗(包括药物和外科手术、神经调控)、研究、康复都集中于人脑。所以,癫痫病的研究,对揭示人脑的秘密提供了一个少有的、特别的、便捷的渠道,癫痫研究对揭示人类高级神经活动和脑认知具有不可替代的作用:

1.癫痫是脑皮质功能障碍疾病的典范。包括遗传、皮质发育异常、代谢异常、外伤等多种原因导致了脑皮质的兴奋性异常和异常性放电,在临床上表现为反复出现的癫痫发作,根据发作起源部位的不同,表现为一过性的意识、情感、精神、认知、运动、感觉(躯体感觉、视觉、听觉等)脑皮质功能障碍。

2.现代关于癫痫的研究,整合了脑科学、脑结构和脑功能的研究方法和思路。一方面包括对于癫痫病的发病机制、信号传导途径、离子通路、神经环路的基础研究;另一方面,在30%左右呈现药物难治性癫痫患者的术前评估程序中,包括发作症状学(发作行为学)、结构影像学、功能影像学、脑磁电生理等的综合检查,对脑功能定位、功能保护以及揭示脑认知活动规律具有极为重要的意义。

3.脑电活动是脑功能的本质反映,而癫痫是脑电活动异常的疾病。脑电生理检查作为癫痫诊断核心手段,特别是由于需要精确定位癫痫源而进行的颅内电极植入,相比较其他疾病,为研究脑功能提供了特色也是独有的机会。目前发展起来的多尺度(multi-scale)记录手段,包括头皮脑电图(EEG)、直接覆盖于脑皮质表面的皮质脑电图(ECoG)、通过立体定向植入脑深部结构的立体定向脑电图(SEEG)以及新发展起来的微电极(micro-electrode),时间分辨率(约为1ms)和空间分辨率(cm-mm)相对于功能影像学等手段具有不可比拟的优势,能够从头皮电位、局部场电位(LFP)、多神经元单位(MUA)和单个神经元动作单位(SUA)水平直接研究个体神经元行为到群体神经元的生理和病理的电活动,是国际公认的唯一能够在体直接记录和观察人类脑电活动和网络连接的方法,也是现在进行脑功能研究的最前沿的工作之一。癫痫外科是临床医学中唯一可以在癫痫患者脑内植入电极进行研究的学科,通过植入脑内的电极对患者进行认知功能的研究,将为“模仿脑”研究提供一种全新的方法和工具,特别是在脑机接口、人工智能等领域可以做到具有开创性的探索。因此有人提出:人类的“下一次进化”藏在癫痫病人大脑中。

4.国际上,近年来利用癫痫疾病作为研究脑功能的平台,神经科学家和神经病学家合作在对运动、语言、视觉、听觉等脑功能工作机制、睡眠机制以及脑机接口等方面,不断取得了高质量的研究成果,越来越多的研究结果发表在 “Nature”、“Science”、“PNAS”、“Neuron”等杂志。

以上可见,癫痫在脑科学研究中具有不可或缺的重要性。而这一“最捷径”很少被癫痫专业以外的研究者所认识。目前,癫痫病已经列入了美国的“BRAIN”计划的待攻克脑疾病之中,但尚未明确列入我国的脑计划。我们确信,随着该计划的实施,癫痫这一独特的研究脑秘密的平台,一定会引起各相关学科专家的重视和使用。

四、脑科学为癫痫患者带来崭新的希望和光明的前景

通过目前在全球范围方兴未艾的脑科学研究,特别是我国的脑计划,我们有信心地期待,将从“了解脑”层面对癫痫的发病机制进行深入研究,基于“精准医学”模式对癫痫患者进行个体化的治疗,从而提高癫痫的有效控制率和治愈率,并在“保护脑”的层面改善癫痫患者的认知功能。随着脑科学研究的深入,相信终有一天人类将实现“攻克癫痫”的梦想。

我们从事癫痫防控事业的医务工作者,更要了解自己所处的时代和承担的责任,在临床、教学和科研工作中,把对癫痫这个疾病的探索与全球生命科学和医学领域的使命 -- 解开人脑秘密联系起来,潜心钻研、精益求精、不畏艰难、勇于创新,努力做出一份属于我们自己的贡献。

五、结论

今年的6月28日,是第十二个“国际癫痫关爱日”。今年的宣传主题为“癫痫与脑科学”,我们通过向全社会宣传癫痫研究的进展以及癫痫在脑科学研究中的地位和重要性,呼吁政府相关部门、科研机构及广大民众,认识癫痫疾病、重视癫痫研究;同时向广大癫痫患者和家属传递重要信息,随着国家脑科学研究的深入,癫痫学科发展将更加迅速、今天的难治性癫痫可能明天就可能被攻克,一定要树立战胜疾病的信心。


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