麻省理工科技評論評選的14大醫(yī)療領(lǐng)域突破科技（下）

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

　　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)展的新特點和新趨勢，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，主導(dǎo)著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，極大地推動了經(jīng)濟社會發(fā)展和科技創(chuàng)新。

　　正如《麻省理工科技評論》主編JasonPonTIn所說，突破性技術(shù)的定義非常簡單，那就是能夠給人們帶來高質(zhì)量運用科技的解決方案。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)家們對長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，同時也是為了強調(diào)是人類的聰明才智促生了這些創(chuàng)新技術(shù)。

　　因此動脈網(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，將分為上下兩篇，在《麻省理工科技評論評選的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，將會極大地擴展人類的潛能，也有可能改變世界的面貌，值得在未來給予特別關(guān)注。

　　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：電腦芯片的一種替代設(shè)計，能夠?qū)崟r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)境實時交互的認(rèn)知系統(tǒng)，促進人工智能技術(shù)發(fā)展

　　重要性：傳統(tǒng)芯片已經(jīng)達到性能極限。

　　該領(lǐng)域主要參與者：高通（Qualcomm），IBM，HRL實驗室（HRL Laboratories），人類腦計劃（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)了一個叫做“先鋒”的機器人開始，才被熟知。先鋒機器人使用的只是一個智能手機芯片，它模擬了人腦工作的狀態(tài)，運行了特制的軟件而已，它能識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、幾千億個突觸，可以同步處理視覺、音頻等信號，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)，可以實現(xiàn)人腦的部分功能。它們實現(xiàn)了人工智能領(lǐng)域需要幾十年才能完成的任務(wù)，讓機器可以像人一樣理解世界、與世界互動。

　　一些大學(xué)和研究機構(gòu)也在試圖實現(xiàn)這些功能，比如說 IBM 實驗室和 HRL 實驗室。這兩家已經(jīng)花了 1 億美元來為美國國防部高級研究項目局研發(fā)神經(jīng)形態(tài)芯片。此外，歐洲人腦項目聯(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)項目。根據(jù) IBM 實驗室的研究員 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別物體，提供音頻提示；健康監(jiān)測系統(tǒng)可以檢測生命體征，及早發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險，為病人提供個性化的治療手段。醫(yī)療傳感器和設(shè)備可以追蹤病人的生命體征，根據(jù)時間采取醫(yī)療對策，學(xué)會調(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)計實用性大于性能表現(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)處理時的電子脈沖。多年來，科學(xué)家們一直在嘗試進一步探究神經(jīng)形態(tài)的電路架構(gòu)，其中的難點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日。

　　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，大大擴展了打印范圍

　　成熟期：尚不成熟

　　突破點： 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：促進人造器官和新穎的半機器零件產(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 是這個行業(yè)的領(lǐng)頭羊，研究微型3D打印的機制和方法，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，還可以打印運動員用的塑料貼片，上面包含了多種傳感器，可以檢測腦震蕩，測量其危害程度。令人震撼的是，她的團隊打印出了包含復(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)的研究團隊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 團隊安裝了一臺配有顯微鏡的3-D打印機，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在相同的制造過程中都能被“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，始終能保持一定形狀，有點類似擠牙膏。

　　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)。

　　液體活檢測可以幫助某些癌癥的早期篩選

　　快速的DNA測序，應(yīng)用于癌癥的簡單血液測試

　　成熟期：廣泛應(yīng)用

　　突破點：血液測試發(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)生了簡單的唐氏綜合癥檢測方法。不僅如此，盧教授正在與世界各地的實驗室以及醫(yī)療機構(gòu)競爭，比如約翰·霍普金斯大學(xué)，開發(fā)基于簡單血液檢測的癌癥（比如患病最多的肺癌，40％的中國肺癌患者在一個基因突變EGFR，這將使他們有機會獲得新的靶向藥物）篩查技術(shù)，即液體活檢。

　　雖然目前通過DNA檢測預(yù)測患癌的風(fēng)險成本依然很高，但隨著測序技術(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行比較，癌癥早期篩查將會變得更加簡單、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。測序巨頭Illumina的CEO Jay Flatley表示，液體活檢的市場規(guī)模至少達400億美元。他說這項技術(shù)可能是癌癥診斷領(lǐng)域最激動人心的突破，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抗疾病。醫(yī)生可以根據(jù)驅(qū)動癌癥發(fā)展的特定DNA突變選擇對應(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)被廣泛地運用了，尤其是癌癥檢測之中，但它們對于提高檢測質(zhì)量和療效的作用目前尚不明確。