2021全球脑科学发展报告42

1、,2021 年全球脑科学发展报告,前言 近年来，以人工智能、量子信息、集成电路、生命健康、脑科学、生物育种、 空天科技、深地深海等为代表的新一轮科技革命和产业变革深入发展，正在重构 全球创新版图、重塑全球经济结构。 在众多极具“颠覆性”的科技领域中，脑科学无疑是最尖端、最前沿的一个， 被称为生命科学的“终极疆域”。正因如此，脑科学早已成为世界各主要经济体 科技角逐的主要赛道之一。但应该看到，当前脑科学正处于关键发展阶段，许多 领域需要研究，许多技术需要突破。 为深刻把握脑科学的发展态势与动向，特编纂本报告，希望能为脑科学领域 研究者，以及感兴趣的读者，提供有益的借鉴与启示。,1,2021 年全球脑科学发展报告,研究方法 本报告采用定性与定量相结合的研究方法，通过文献研究、专家访谈、数据 计量、案例研究等方式，对脑科学进行现状分析、路径总结和趋势研判。 定性研究法。通过研究全球范围内脑科学领域的相关科研成果、主要经 济体相关政策规划与布局、全球性合作与交流动态等，系统性分析脑科学的发展 现状、聚焦领域、发展方向和创新趋势。通过专家访谈，结合文献研读，对脑科 学领域的相关国内外进展、发展趋

2、势进行预判。 定量研究法。本报告中的文献数据以国际科学网（Web of Science）数 据库为主要来源，以主题检索词为主编写检索式 11 ，论文出版时间限定为 20162020 年，文献限定为“文章”（Article）和“报告”（Review）。专利 数据基于佰腾（Baiten）全球专利信息库，根据标题、摘要、关键词和国际专利 分类号分别编写检索式 22、检索式 33（台湾地区专利申请数）、检索式 44（我 国除台湾地区的专利申请数），专利公开时间限定为 20162020 年。 分析方法。文献分析利用国际科学网（Web of Science）数据库在线分 析完成，统计科学引文索引（Science Citation Index，简称 SCI）文献量 最多的国家、国际机构、国内机构的发文情况，具体指标包括论文数量、总被引 频次、篇均被引频次、自然细胞科学（Nature、Cell、Science） 杂志及子刊论文数量、基本科学指标数据库（Essential Science Indicators， 简称 ESI）高水平论文数量。专利分析利用佰腾（Baiten）国际专利共享数据库 在线分析功

3、能完成，统计专利最多的国际机构和国内机构，具体包括：从专利申 【1】brain* OR Hindbrain* OR myelencephalon* OR metencephalon* OR * OR Midbrain* OR mesencephalon* OR Forebrain* OR Telencephalon* OR Cerebral Cortex* OR Frontal Lobe* OR Temporal Lobe* OR Parietal Lobe* OR Occipital Lobe* OR Subcortical Structure* OR Basal Ganglia* OR Hippocampus* OR Amygdala* OR Limbic System* OR Corpus Collosum* OR Diencephalon* OR Thalamus* OR Hypothalamus* OR brainstem* 【2】数据检索时间为 2021 年 23 月，2021 年部分研究成果虽已发布，但为了突出研究成果的阶段性特点， 以及上期跟踪研究对 2016 年研究成

4、果收录的不完整性，本次研究时段选取为 20162020 年共 5 年的数据。 【3】i,ab,clm:(brain* OR Hindbrain* OR myelencephalon* OR metencephalon* OR Cerebellum* OR Midbrain* OR mesencephalon* OR Forebrain* OR Telencephalon* OR Hippocampus* OR Amygdala* OR Diencephalon* OR Thalamus* OR Hypothalamus* OR brainstem*) AND ic1,ic2:(A01H or A01K or A61K or A01P or A02F or C07G or C07H or C07K or C12M or C012N or C12P or C12Q or C12S or G01N) AND (pd:20160101 TO 20201231) 【4】ti,ab,clm：（脑科学 or 神经科学 or 类脑科学 or 脑成像 or 脑机接口 or 神经医学 or 后脑 or 脑

5、 脊髓 or 小脑 or 中脑 or 前脑 or 端脑 or 大脑皮层 or 额叶 or 颞叶 or 顶叶 or 枕叶 or 皮质下结构 or 基地神经节 or 海马体 or 杏仁体 or 边缘系统 or 间脑 or 丘脑 or 下丘脑 or 脑干）) AND ic1，ic2： （A01H or A01K or A61K or A01P or A02F or C07G or C07H or C07K or C12M or C012N or C12P or C12Q or C12S or G01N) AND（pd:20160101 TO 20201231）,2,2021 年全球脑科学发展报告 请量、团队分析等指标对国际专利在线分析。在 SCI 论文量、自然细胞 科学（Nature、Cell、Science）杂志及子刊论文量、ESI 高水平论文量最 多的国际和国内机构中筛选 SCI 论文量最多的研究团体，筛选方法为使用“第一 作者单位”（Author Affiliations（1st）条目筛选论文量最多的前 1020 个 团体，国际团体精确至“部门”，国内团体精确至“系”或“部门”。,3,

6、2021 年全球脑科学发展报告,目录 一、 概述. 1 （一）内涵与外延. 1 （二）发展历程. 2 1. 混沌阶段（16 世纪之前）. 2 2. 萌芽阶段（16 世纪初至 19 世纪初）. 2 3. 开拓阶段（19 世纪初至 20 世纪 60 年代）. 2 4. 大发展阶段（20 世纪 60 年代至今）. 3 （三）研究方法. 6 1. 生物解剖学. 6 2. 电生理学. 6 3. 生理学及生物化学. 7 4. 细胞分子学. 8 5. 脑成像. 9 （四）主要经济体发展战略. 10 1. 美国. 10 2. 欧盟. 10 3. 日本. 11 4. 中国. 11 二、 研究现状. 13 （一）发展综述. 13 （二）研究现状. 14 1. 全球. 14 2. 中国. 15 （三）研究机构. 17 1. 全球. 17 2. 中国. 19 三、 应用现状. 23,4,2021 年全球脑科学发展报告 （一）应用现状综述. 23 （二）脑科学主要应用领域. 23 1 脑机接口. 23 2 仿生科学. 24 3 人工智能. 24 4 医疗领域. 24 5 教育领域. 25 6 军事领域. 25

7、四、 发展趋势. 26 （一）绘制高分辨率脑图谱将是脑科学研究的重要方向. 26 （二）类脑芯片将成为信息技术的重要发展方向. 26 （三）治疗脑疾病的新方法将受到资本市场的青睐. 26 （四）加强国际合作是推动脑科学健康发展的重要途径. 26 附表 1 脑科学、类脑科学、神经科学、生命科学的辨析. 28 附表 2 脑科学的主要研究方法. 30 附表 3 美国“BRAIN 2.0”主要内容.32 版权所有. 34 关于我们. 35,5,2021 年全球脑科学发展报告 一、概述 当前，全球有超过 5000 万阿尔茨海默病患者、3.5 亿抑郁症患者，近 10% 的儿童患有多动症。据世界卫生组织的统计，包括各种神经类和精神类疾病在 内的脑相关疾病，已经超过心血管病、癌症成为人类健康最大的威胁。虽然人 类已经可以“上九天揽月”“下五洋捉鳖”，但对大脑这个由上千亿神经细胞 组成的 3 磅重的器官，仍知之甚少。因此，越来越多的科研机构和科学家正在 投入到脑科学的研究中。 （一）内涵与外延 脑科学有狭义和广义之分。狭义的脑科学一般指神经科学，是为了了解神 经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程

8、，以及这些过程在中枢功能 控制系统内的综合作用而进行的研究，主要包括神经发生、神经解剖学、神经 生理学、神经通讯与生物物理学、神经化学与神经内分泌学、神经药理学、记 忆与行为、知觉和神经障碍等九个领域5。 广义的脑科学是研究脑结构和脑功能的科学，主要包括脑形态及结构、脑 部分区及功能、脑细胞及工作原理、脑神经与网络系统、脑的进化与发育等领 域的研究，以及对脑生理机能的研究，如脑是如何产生感觉、意识、动机和情 绪的，如何学习和记忆的，如何传递信息的，如何控制行为的，如何进行自我 修复和功能代偿的。总的来说，广义脑科学是从生物脑的角度探究大脑的物理 构成、生物机理和工作机能，是一个认识脑的过程。 脑科学的研究范围不仅仅局限于认识脑，如绘制人脑发育图谱、探究嗅觉 工作机理等，还包括如何更好地保护脑、开发脑、创造脑。保护脑主要包括促 进脑发育、预防脑损伤、治疗脑疾病、延缓脑衰老等方面；开发脑是指开发脑 的未知功能、提高脑的运用效率，以及通过类脑研究，模拟脑的功能和工作原 理，尤其是模拟人脑的信息处理机制；创造脑是指通过构建大脑仿真系统，开 发脑型计算机，打造以数值计算为基础的虚拟超级大脑。 目

9、前，以新一代脑科学研究为核心，以类脑智能研究、神经性疾病与治疗、 脑科学技术与方法、脑科学信息与服务为中间层，以大脑控制、脑机接口、大 脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为应用层的脑 5 萧静宁.脑科学概要.武汉：武汉大学出版社，1986：p.1.,1,2021 年全球脑科学发展报告 科学发展图谱业已形成，并呈现出三大特征6：一是神经科学与计算机、微电子、 化学、材料、工程学、物理、数学等学科的交叉融合为脑科学的突破提供了契 机；二是人造大脑成为主要研究目标，包括以模仿计算为主的虚拟超级脑，以 及虚拟大脑与生物大脑一体化的融合超级脑两个研究方向；三是利用信息技术 认识脑、了解脑、开发脑、模拟脑、创造脑、融合脑。 脑科学、类脑科学、神经科学、生命科学的辨析参见附表 1。 （二）发展历程 脑科学的发展历程可划分为混沌阶段、萌芽阶段、开拓阶段、大发展阶段。 混沌阶段（16 世纪之前） 早在古希腊时期，著名医生阿尔克迈翁（Alcmaeon）发现眼睛后部与大脑 相连，从而发现了视神经，但其对脑的认识仍以主观想象为主。另一位医生希 波克拉底认为，人的情绪和感觉均源自于脑，大脑

10、是人类神智的载体。与希波 克拉底相反，亚里士多德则认为神智在心而不在脑。此后，关于神智、灵魂、 精神及元气的争论长达数世纪之久，人们对脑的认知一直停留在感性层面。 萌芽阶段（16 世纪初至 19 世纪初） 文艺复兴时期，达芬奇（L.da Vinci，14521519）通过人体解剖绘制出 了大脑的 4 个脑室。1543 年，维萨留斯（A.Vesalius，15141564）编著出版的 人体构造对脑室进行了完整的描述。1664 年，英国医师托马斯威利斯 （Thomas Willis，16211675）出版脑的解剖学，兼述神经及其功能，其中 插图与现在神经解剖学教科书上的解剖结构图基本相同。 进入 18 世纪，生理学研究方法被应用到脑科学研究中。脑的兴奋性与肌肉 反应之间的关系、信息传递工作原理成为研究热点。但在蒙昧、迷信的时代环 境下，人们对脑的研究主要还是以零散的、偶然的发现为主，主动的、有意识 的脑科学研究异常艰难，科学成果自然也寥若晨星。 开拓阶段（19 世纪初至 20 世纪 60 年代） 世纪，脑科学进入快速发展阶段，取得了一系列开拓性成就，如生物电 的发现、神经元学说的创立、脑功

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