發佈日期:2019-01-14

神經科學領域之國際研究趨勢剖析

作者:林明宜

科學計量神經科學神經科技神經退化疾病NeuroscienceNeurotechnologyNeuroegenerative Disease

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一、前言

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神經科學是一門研究神經系統如何運作的科學,橫跨基礎科學、工程和醫學領域,除了具備多重轉譯潛能,也涵蓋了藥物、醫材和輔具等相關的產業化應用,同時在可見的未來充滿著許多仍未被滿足的醫療需求,如中風、帕金森氏症、失智症和漸凍人等神經退化和罕見疾病。由於技術的進步和跨領域整合的研究成果,科學家普遍認為人類對神經系統的瞭解將在近期得到突破,各國政府也競相投入大量資金,投入國家型腦科學研究計畫的推動;此外,即便多數技術仍處於實驗室研發階段,神經技術相關的新創公司已經在近幾年開始萌芽,私募基金和創投也開始積極投資神經技術相關新創企業,使得神經科學領域的基礎研究和產業發展更加熱絡,成為新興的熱門研究領域。

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二、國際大型計畫投入情形

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美國、歐盟、日本、韓國與中國,自2013年起便紛紛展開為期10-15年的大型腦科學計畫,計畫資金合計高達上百億美金(Amunts K, Ebell C, Muller J, Telefont M, Knoll A, Lippert T, 2016; Choi Mun-hee, 2018; Hideyuki Okano, Erika Sasaki, Tetsuo Yamamori, Atsushi Iriki, Tomomi Shimogori, Yoko Yamaguchi, Kiyoto Kasai, Atsushi Miyawaki, 2016; Mu-ming Poo, Jiu-lin Du, Nancy Y. Ip, Zhi-Qi Xiong, Bo Xu, Tieniu Tan, 2016; Walter Koroshetz, Joshua Gordon, Amy Adams, Andrea Beckel-Mitchener, James Churchill, Gregory Farber, Michelle Freund, Jim Gnadt, Nina Hsu, Nicholas Langhals, Sarah Lisanby, Guoying Liu, Grace Peng, Khara Ramos, Michael Steinmetz, Edmund Talley and Samantha White, 2018)。計畫內容主要為促進神經科學相關的基礎研究、模式生物(model organism)與人類的大腦神經圖譜繪製,以及發展計算神經科學(computational neuroscience),進行大腦神經活動的模擬,並藉由相關研究了解大腦疾病的機制與治療方式。規劃時通常依國內神經科學領域原有能量和發展目標,設定計畫目標(見圖1)。雖著重面向各有不同,最後目標幾乎都是為了使神經科技進入實際應用,包括神經相關疾病的預防和治療,以及將生物性的腦運作原理,擴大應用到人工智慧和機器人開發。

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圖1 神經科學領域之國際投入經費與目標分析

資料來源:本研究整理。
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美國投入力道大,開始的早,資金、人才和產業鏈完整,因此最具野心,以了解人腦如何運作為終極目標,從細胞種類、神經活動和神經網絡互動,基礎研究到臨床應用,幾乎無所不包,也積極的發展各類技術,推進科學發現,並鼓勵發展商業應用;歐盟則著重於發展大腦計算模型,試圖以反向工程的方式,解構大腦;中國腦計畫,包含了認知、疾病和人工智慧三大方向,其中,中國利用非靈長類動物研究和中藥草研究,作為腦科學發展的優勢和特色方向;日本在推動腦科學發展的資金投入相對不多,因此藉由專注於絨猴腦圖譜的建構,創新技術,進而按部就班的橋接到人腦研究;韓國則是希望藉由大量科研資金投入,快速提升國內神經科學研究能量,在規劃上野心勃勃,從基礎研究、大腦模型、神經圖譜到疾病治療都有所涵蓋(參考圖2)。透過本研究的比較分析,可以看出各國如何衡量國力和研究能量,訂定合乎國家利益和發展潛能的研究計畫。

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圖2 神經科學領域之國際投入內容與特色分析

資料來源:本研究整理。
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三、國際熱門和新興研究主題分析

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為更進一步了解國際研究現況和趨勢,我們利用科睿唯安(Clarivate Analytics)公司所開發的Essential Science Indicators (ESI)資料庫中的研究前沿(Research Fronts)(科睿唯安,2018),針對神經科學與行為(Neuroscience & Behavior)領域進行盤點,針對2013年1月1日至2018年5月31日的全球前1%高被引論文,根據科睿唯安所提供之研究主題分群,選擇總引用數高和新近受重視之論文群進行解讀。

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其中前十大國際研究熱點主題之解讀結果綜整於表1,這些論文平均被引用數幾乎都高達100次以上,總被引用數超過四萬次,顯見這些研究群聚在神經科學領域的高影響性。

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深入解讀研究內容後,我們可以發現,許多研究著重於臨床和神經科學相關疾病。從臨床神經學的急性腦中風研究、含釓顯影劑的殘留,腦癌的免疫療法臨床試驗,到神經相關疾病的致病機制、風險基因和治療方式研究,包括精神分裂症、帕金森氏症、漸凍人、阿茲海默症、自閉症、免疫相關神經系統疾病等;此外,還探討了功能性腦網絡的動態分析,如何剖析休息和工作執行時的大腦狀態。這些趨勢和近年各國投入的國家級大型神經科學計畫內容大致符合。其中神經系統的老化、退化和疾病,如阿茲海默症、帕金森氏症、漸凍症、憂鬱症等,由於神經細胞的受損具不可逆性,而所導致的功能喪失又會造成照護和醫療系統龐大的負擔,在全球先進國家都面臨高齡化社會的現在,自然受到高度重視。

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表1 全球神經科學前十大研究熱點

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為進一步了解全球神經科學研究最新趨勢,我們以平均出版年份在2016年6月以後,被引用數最高的10個群組,做為分析標的。所挑選出之新興前沿共包含有59篇論文,總被引用數為1,433次,平均被引用24.3次(見表2)。

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其中總引用數最高的兩個研究主題都和神經發展疾病相關,包含生理活動、激素和風險基因等如何影響兒童和青少年的腦部發育。此外,近年嚴重的空氣汙染可能對神經系統造成的影響,也是近年新興的熱門議題。和社會問題息息相關的藥物濫用,也由於美國和世界各國面臨日益嚴重的鴉片濫用問題,而出現在新興研究前沿中。而新近發現腸胃道微生物相,可能透過迷走神經影響腦部,甚至造成阿茲海默症,在神經科學界開啟一個新的研究方向。由於血腦屏障的保護,腦部的基因遞送,一向十分具挑戰性,如何安全有效的對腦細胞進行基因工程,是熱門的新研究題目。阿茲海默症治療方法,一直是藥廠和學界投入的研發重點,最近的研究則開始試圖找到準確的生物標記,以利更早做到正確診斷,早期治療。此外,腦部和神經細胞功能的基礎研究,如何連結神經網絡活動和認知功能,以及個別細胞生理和特定功能的關聯等,依然是研究重點。而治療腦瘤的臨床性研究,針對新發現的致病基因,抑制致癌突變及針對突變代謝物造成的癌細胞弱點藥物,可做為下世代腦癌新療法的基礎。

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表2 全球神經科學前十大研究熱點

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四、結語

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神經科學研究,經常需要透過整合工程、生物、心理和醫學領域知識和應用,在複雜的神經系統中實踐理論和實驗的連結,例如光遺傳學,是利用基因工程將光敏感離子通道嵌入神經細胞,利用光纖將不同波長的光刺激目標細胞,就能夠調控神經活動,其中的技術包含了基因工程、細胞生理學、光學和工程,若是欲利用光遺傳學了解神經網絡的運作情形,還需要導入大數據分析和影像處理技術,若欲再進一步了解神經活動和認知心理的連結,更需要和人文社會、心理學領域專家合作。類似這樣的研究,在神經科學領域十分常見,也因此許多有名的神經科學家,背景是物理、化學、電機和資訊工程等。這樣的跨領域技術融合,同時也是破壞性創新技術產生的機會,為了解決最困難的問題,科學家們需要積極合作,將技術推向極限,在解決科學難題時,往往也不經意的發展出顛覆性科技,滿足社會需求,開創新的市場。

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神經科學的研究,除了基礎科學,好奇心的探索,想要了解人腦如何運作,意識和記憶的存在,橫跨生物、心理和哲學研究外,還包含老年化社會失智症、神經退化疾病的社會需求,甚至更具未來顛覆性,調節情緒或認知能力、心智遙控裝置、意識上傳的可能。這些都是各國之所以競相對神經科學進行長期且高額的投資的原因,其中美國資源龐大,人才和技術都處於國際領先地位,因此能夠進行全面性的發展,美國神經科學投入,以科技發展為主軸之一,許多先進影像、儀器或是基因操控、藥物等研發,都是研究需求引發技術發展,技術進展又使得科學發現一日千里,加上後端生醫製藥和醫材產業鏈,使得領域發展日漸蓬勃。日本則是另一種發展策略,專心投注於靈長類生物與人類腦部圖譜與模型的建立。

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台灣應借鏡各國發展策略,思考如何以有限的資源,進一步鼓勵優秀人才進行實質的跨領域、整合型研究,並與國際團隊進行合作交流,吸收能和國內研究團隊互補、相輔相成的國外人才與技術,以期使台灣神經科學領域發展更上一層樓。

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參考文獻

  1. 科睿唯安. (2018). Essential Science Indicators資料庫說明. 讀取於 從 https://clarivate.com.tw/products/essential-science-indicators/
  2. Amunts K, Ebell C, Muller J, Telefont M, Knoll A, Lippert T. (2016). The Human Brain Project: Creating a European Research Infrastructure to Decode the Human Brain.
  3. Choi Mun-hee. (2018). S. Korea to Invest 1.3 Tril. Won in Brain Science Research over Next 5 Years.
  4. Hideyuki Okano, Erika Sasaki, Tetsuo Yamamori, Atsushi Iriki, Tomomi Shimogori, Yoko Yamaguchi, Kiyoto Kasai, Atsushi Miyawaki. (2016). Brain/MINDS: A Japanese National Brain Project for Marmoset Neuroscience.
  5. Mu-ming Poo, Jiu-lin Du, Nancy Y. Ip, Zhi-Qi Xiong, Bo Xu, Tieniu Tan. (2016). China Brain Project: Basic Neuroscience, Brain Diseases, and Brain-Inspired Computing.
  6. Walter Koroshetz, Joshua Gordon, Amy Adams, Andrea Beckel-Mitchener, James Churchill, Gregory Farber, Michelle Freund, Jim Gnadt, Nina Hsu, Nicholas Langhals, Sarah Lisanby, Guoying Liu, Grace Peng, Khara Ramos, Michael Steinmetz, Edmund Talley and Samantha White. (2018). The State of the NIH BRAIN Initiative.