神經科學領域之國際研究趨勢剖析

導讀
神經科學為近年新興熱門研究主題,本文分析國際大型神經科學計畫投入及目標設定,並藉由神經科學領域熱門論文之主題解讀,了解國際神經科學領域發展趨勢。
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一、前言

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。

二、國際大型計畫投入情形

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。

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。

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,也積極地發展各類技術,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,進而按部就班地橋接到人腦研究;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。

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。

三、國際熱門和新興研究主題分析

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。

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。

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。

表1 全球神經科學前十大研究熱點

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)。

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,如何安全有效地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。

表2 全球神經科學前十大研究熱點

四、結語

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,往往也不經意地發展出顛覆性科技,滿足社會需求,開創新的市場。

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。

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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