麻省理工科技評(píng)論評(píng)選的14大醫(yī)療領(lǐng)域突破科技（下）

　　《麻省理工科技評(píng)論》從2001年開始，每年都會(huì)公布“10大突破技術(shù)”，即TR10（Technology Review 10），并預(yù)測(cè)其大規(guī)模商業(yè)化的潛力，以及對(duì)人類生活和社會(huì)的重大影響。

　　這些技術(shù)代表了當(dāng)前世界科技的發(fā)展前沿和未來發(fā)展方向，集中反映了近年來世界科技發(fā)展的新特點(diǎn)和新趨勢(shì)，將引領(lǐng)面向未來的研究方向。其中許多技術(shù)已經(jīng)走向市場(chǎng)，主導(dǎo)著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，極大地推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和科技創(chuàng)新。

　　正如《麻省理工科技評(píng)論》主編JasonPontin所說，突破性技術(shù)的定義非常簡(jiǎn)單，那就是能夠給人們帶來高質(zhì)量運(yùn)用科技的解決方案。有些技術(shù)是工程師們天才創(chuàng)意的結(jié)晶；而有的則是科學(xué)家們對(duì)長(zhǎng)期困擾他們的問題所采取的諸多嘗試的集大成者（比如深度學(xué)習(xí)）。評(píng)選“10大突破技術(shù)”的目的不僅僅是向人們展示新創(chuàng)新成果，同時(shí)也是為了強(qiáng)調(diào)是人類的聰明才智促生了這些創(chuàng)新技術(shù)。

　　因此動(dòng)脈網(wǎng)將為你篩選從2012年~2016年的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科技突破。由于技術(shù)更迭快，因此只梳理最近5年之內(nèi)的。鑒于文章篇幅太長(zhǎng)，將分為上下兩篇，在《麻省理工科技評(píng)論評(píng)選的14大醫(yī)療領(lǐng)域突破科技（上）》中我們已經(jīng)介紹七種近五年醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的科技突破，本文為下篇。這些技術(shù)是為解決問題而生，將會(huì)極大地?cái)U(kuò)展人類的潛能，也有可能改變世界的面貌，值得在未來給予特別關(guān)注。

　　8.神經(jīng)形態(tài)芯片（2014）

　　神經(jīng)形態(tài)芯片可以直接模擬大腦的行為

　　配置了微處理器的芯片比傳統(tǒng)芯片更像大腦，它模擬了人腦工作的狀態(tài)

　　成熟期：還未有重大突破

　　突破點(diǎn)：電腦芯片的一種替代設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)模擬大腦處理信息的過程，有助于科學(xué)家們制造出能同周圍環(huán)境實(shí)時(shí)交互的認(rèn)知系統(tǒng)，促進(jìn)人工智能技術(shù)發(fā)展

　　重要性：傳統(tǒng)芯片已經(jīng)達(dá)到性能極限。

　　該領(lǐng)域主要參與者：高通（Qualcomm），IBM，HRL實(shí)驗(yàn)室（HRL Laboratories），人類腦計(jì)劃（Human Brain Project）

　　神經(jīng)形態(tài)芯片的概念，要回溯到幾十年前。1990 年，加州理工學(xué)院名譽(yù)教授 Carver Mead 在一篇論文中給出了它的定義。不過，自從高通開發(fā)了一個(gè)叫做“先鋒”的機(jī)器人開始，才被熟知。先鋒機(jī)器人使用的只是一個(gè)智能手機(jī)芯片，它模擬了人腦工作的狀態(tài)，運(yùn)行了特制的軟件而已，它能識(shí)別此前未見過的物體，根據(jù)相關(guān)物體的相似性來分類，將不同的物品放在房間的正確位置。

　　人腦有幾十億神經(jīng)元、幾千億個(gè)突觸，可以同步處理視覺、音頻等信號(hào)，神經(jīng)形態(tài)芯片在芯片中模擬人腦同步處理多種數(shù)據(jù)的能力。根據(jù)圖像、聲音或其他信號(hào)的變化，神經(jīng)元可以改變與其他神經(jīng)元之間的聯(lián)系。所以說，這些神經(jīng)形態(tài)芯片模擬的是人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)人腦的部分功能。它們實(shí)現(xiàn)了人工智能領(lǐng)域需要幾十年才能完成的任務(wù)，讓機(jī)器可以像人一樣理解世界、與世界互動(dòng)。

　　一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也在試圖實(shí)現(xiàn)這些功能，比如說 IBM 實(shí)驗(yàn)室和 HRL 實(shí)驗(yàn)室。這兩家已經(jīng)花了 1 億美元來為美國國防部高級(jí)研究項(xiàng)目局研發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片。此外，歐洲人腦項(xiàng)目聯(lián)合海德堡大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究者也花了 1 億歐元來研究神經(jīng)形態(tài)項(xiàng)目。根據(jù) IBM 實(shí)驗(yàn)室的研究員 Dharmendra Modha 的描述，這種芯片可以讓盲人通過視覺和音頻傳感器來識(shí)別物體，提供音頻提示；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以檢測(cè)生命體征，及早發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，為病人提供個(gè)性化的治療手段。醫(yī)療傳感器和設(shè)備可以追蹤病人的生命體征，根據(jù)時(shí)間采取醫(yī)療對(duì)策，學(xué)會(huì)調(diào)整藥量，甚至可以及早發(fā)現(xiàn)病情。

　　在成本上，高通公司希望產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)用性大于性能表現(xiàn)。這也就意味著高通的神經(jīng)形態(tài)芯片依舊是在數(shù)字芯片上開發(fā)的，這樣做比研發(fā)模擬芯片更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)更容易。模擬芯片要完成的模擬大腦，而高通的芯片模擬的是大腦的行為。比如，神經(jīng)形態(tài)芯片編程、傳輸數(shù)據(jù)的方式模擬大腦處理感官數(shù)據(jù)處理時(shí)的電子脈沖。多年來，科學(xué)家們一直在嘗試進(jìn)一步探究神經(jīng)形態(tài)的電路架構(gòu)，其中的難點(diǎn)就在于如何處理神經(jīng)元和硅之間的重疊部分——突觸以及邏輯門，甚至采用石墨烯等特殊材料來解決這一問題，產(chǎn)品離完全商用還需要時(shí)日。

　　9.微型3D打印（2014）

　　微型3D打印的目標(biāo)是打印出生物組織

　　用不同類型材料打印生物零件，大大擴(kuò)展了打印范圍

　　成熟期：尚不成熟

　　突破點(diǎn)： 使用多種材料來打印東西，例如用生物組織打印血管

　　重要性：促進(jìn)人造器官和新穎的半機(jī)器零件產(chǎn)生

　　該領(lǐng)域主要參與者：Jennifer Lewis（哈佛大學(xué)），Michael McAlpine（普林斯頓大學(xué)），Keith Martin（劍橋大學(xué)）

　　3D 打印概念現(xiàn)在看來已經(jīng)很普通，而且打印的材料也僅限于塑料或者合成金屬等常見材料，但是如果能夠打印細(xì)胞、半導(dǎo)體或者其他生物組織，應(yīng)用寬度又不一樣了。

　　哈佛大學(xué)的材料科學(xué)家 Jennifer Lewis 是這個(gè)行業(yè)的領(lǐng)頭羊，研究微型3D打印的機(jī)制和方法，將物體的功能和形狀有效結(jié)合在一起。Lewis 和她的學(xué)生向外界展示了他們的技術(shù)可以打印極小的電極以及微小鋰離子電池需要的組件，還可以打印運(yùn)動(dòng)員用的塑料貼片，上面包含了多種傳感器，可以檢測(cè)腦震蕩，測(cè)量其危害程度。令人震撼的是，她的團(tuán)隊(duì)打印出了包含復(fù)雜血管的生物組織。為了完成這一目標(biāo)，需要研制出多種類型的細(xì)胞“墨水”，以及支撐組織矩陣的基質(zhì)材料。該技術(shù)成功解決了制造用于藥物臨床測(cè)試或人體器官移植的人工組織的一大難題：如何讓血管系統(tǒng)中的細(xì)胞存活下來。

　　普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功地打印出了仿生耳朵，結(jié)合了生物組織和電子部件；劍橋大學(xué)的研究者也打印出了用視網(wǎng)膜細(xì)胞組成的復(fù)雜眼球組織。那么，到底能夠打印多么微小的生物組織呢？Lewis 團(tuán)隊(duì)安裝了一臺(tái)配有顯微鏡的3-D打印機(jī)，可以精確打印尺寸小至1微米的結(jié)構(gòu)（人體紅細(xì)胞約10 微米），這對(duì)材料要求也提出挑戰(zhàn)，比如細(xì)胞在被迫通過印刷噴嘴時(shí)是脆弱的并且容易被破壞。 她創(chuàng)造的秘密在于具有允許它們?cè)谙嗤闹圃爝^程中都能被“墨水”打印，每種“墨水”都是不同的材料，但是它們都可以在室溫下印刷，而且在壓力下從噴嘴噴出時(shí)，始終能保持一定形狀，有點(diǎn)類似擠牙膏。

　　在還沒有加入哈佛大學(xué)之前，Lewis 在伊利諾伊大學(xué)研究 3D 打印技術(shù)就已經(jīng)超過 10 年了，她曾經(jīng)用過陶瓷、金屬納米顆粒、聚合物以及其他非生物材料。能在 3D 打印的人體組織中加入血管是制造人造器官的重要一步。不過很顯然，跟細(xì)胞打交道真的很復(fù)雜，我們離3D打印出功能正常的肝臟或者腎臟，還相距甚遠(yuǎn)。

　　10.液體活檢（2015）

　　液體活檢測(cè)可以幫助某些癌癥的早期篩選

　　快速的DNA測(cè)序，應(yīng)用于癌癥的簡(jiǎn)單血液測(cè)試

　　成熟期：廣泛應(yīng)用

　　突破點(diǎn)：血液測(cè)試發(fā)現(xiàn)早期癌癥

　　重要性：癌癥每年在世界各地殺死大約800萬人

　　該領(lǐng)域主要參與者：香港中文大學(xué)盧煜明、Illumina、約翰·霍普金斯伯特·沃格爾斯坦（Bert Vogelstein）

　　盧煜明教授是與無創(chuàng)產(chǎn)前診斷聯(lián)系在一起的，早在1997年，他的研究小組發(fā)現(xiàn)孕婦血漿中存在游離的胎兒DNA，后來直接產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的唐氏綜合癥檢測(cè)方法。不僅如此，盧教授正在與世界各地的實(shí)驗(yàn)室以及醫(yī)療機(jī)構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)，比如約翰·霍普金斯大學(xué)，開發(fā)基于簡(jiǎn)單血液檢測(cè)的癌癥（比如患病最多的肺癌，40％的中國肺癌患者在一個(gè)基因突變EGFR，這將使他們有機(jī)會(huì)獲得新的靶向藥物）篩查技術(shù)，即液體活檢。

　　雖然目前通過DNA檢測(cè)預(yù)測(cè)患癌的風(fēng)險(xiǎn)成本依然很高，但隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠快速解碼數(shù)百萬在血液中松散的DNA短片段，通過與人類基因組的參考圖譜進(jìn)行比較，癌癥早期篩查將會(huì)變得更加簡(jiǎn)單、便宜、應(yīng)用范圍更加廣泛。液體活檢的商業(yè)利益最近也呈爆炸式的增長(zhǎng)。測(cè)序巨頭Illumina的CEO Jay Flatley表示，液體活檢的市場(chǎng)規(guī)模至少達(dá)400億美元。他說這項(xiàng)技術(shù)可能是癌癥診斷領(lǐng)域最激動(dòng)人心的突破，并表示Illumina將開始向研究人員提供液體活檢試劑盒，幫助尋找癌癥的早期癥狀。

　　此外，除了用于癌癥篩查（目前并不通用于任何癌癥），液體活檢還可用于幫助人們對(duì)抗疾病。醫(yī)生可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)癌癥發(fā)展的特定DNA突變選擇對(duì)應(yīng)的藥物和治療方案。癌癥病因相當(dāng)復(fù)雜，研究人員必須系統(tǒng)性的了解他們的病例，這樣液體活檢才能真正的拯救生命。液體活檢現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用了，尤其是癌癥檢測(cè)之中，但它們對(duì)于提高檢測(cè)質(zhì)量和療效的作用目前尚不明確。