自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)代表了一类神经发育障碍,包括自闭症、阿斯伯格综合征、待分类的广泛性发展障碍和儿童崩解症等。患有自闭症谱系障碍的人,存在一些社交缺陷、交流障碍、重复行为,甚至有些还存在认知功能发育迟滞的问题。

英国一家慈善团体Autistica近日发布的一项报告显示,自闭症谱系障碍的人平均要比普通人的寿命短18年。而同时具有ASD和智力障碍的人,寿命要比普通人短30年。

此项研究是2015年由瑞典卡罗林斯卡医学院的临床心理学家Sven Bölte领导团队进行的。他们对瑞典27000名自闭症谱系障碍的患者进行了研究,其中6500人同时还患有智力障碍。根据过去的经验,造成这些患者死亡的原因通常是一些致命的事故,例如溺水,或者是常常伴随其他神经系统疾病的癫痫。但是这些原因并不足以解释自闭症谱系障碍患者与普通人之间长达18年的寿命差距。Sven Bölte等人发现,健康问题是另一个重要原因,例如糖尿病与呼吸系统疾病的发病率很高,ASD患者去医院诊断时往往已经较晚,因为他们不知道该如何向医生表达自己不舒服的问题。

另一个ASD患者寿命缩短的重要原因是自杀,没有智力障碍的ASD患者中,自杀致死的比例是普通人的9倍,女性自杀的比例尤其高。这也许是自闭所带来的隔离和抑郁所造成的。

如此之大的寿命差距,意味着很多ASD患者,尤其是有智力障碍的ASD患者,很难活到自己的40岁生日。


记忆障碍是阿尔茨海默病(Alzheimer's disease。AD)患者的典型症状之一。记忆的过程包括对外界信息进行编码、储存,并通过检索已有的记忆来进行提取。搞清楚记忆障碍到底是哪一个或哪些步骤发生了问题很关键,因为这样临床上才有可能开发出相应的技术和措施去有针对性地治疗。有的研究发现AD患者在编码新信息方面存在问题,但MIT神经科学家Susumu Tonegawa(利根川进)的团队在最新一期Nature上的文章显示,AD的记忆障碍可能是由于无法有效检索已有记忆而导致的。

对人的认知功能研究难以区分记忆存储或检索的差异,但对小鼠可以。他们使用了AD的经典模型APP/PS1小鼠,这种小鼠随着年龄增长脑内会出现与人类AD患者类似的淀粉样蛋白沉积,并出现记忆障碍。测试的方法是contextual fear conditioning(条件性恐惧实验)。将正常小鼠放入它们之前接受过电击的笼子里,它们会害怕,而AD小鼠不会,因为它们已经忘记了。但将这种AD小鼠经过光遗传学方法修饰后放入笼子,用光刺激负责短期记忆的海马区域,会发现AD小鼠表现出害怕行为,说明它们被电击的记忆被找回来了。不过第二天,它们再一次把这种恐惧记忆忘记了。接下来研究人员给予小鼠反复的脉冲光刺激,以模拟自然条件下反复记忆的过程,这种刺激会强化海马与内嗅皮层之间的联系,以加强长期记忆的保存。在这种程度的刺激下,AD小鼠得以把对笼子的恐惧记忆保持了下来,即使没有光的刺激,也能一直保持记忆。

对这些接受过光脉冲刺激的小鼠大脑解剖显示,海马与内嗅皮层之间的连接增加了,而这种连接正是患AD后逐步减少的。

这项研究表明AD患者的记忆是有希望被找回来的。研究人员希望光刺激的技术可以使小鼠的记忆保留几个月的时间,让人的记忆保留2-3年的时间。然而对人来说,淀粉样蛋白形成的方式与小鼠并不同。而且光刺激的难度较大,因为目前光遗传学仍然是一种侵入性的技术,对人并不十分适用,另外人的海马与皮层面积较大,难以进行精确刺激。同样有其他科学家表示,可植入性的电刺激可能对人类更合适,毕竟已经有癫痫治疗的微刺激装置存在。


对瘫痪病人来说,不能自由移动以及长期坐卧带来的新健康问题(如褥疮、骨质疏松等)是最大的困扰。如同电影里机械战警一般的机器外骨骼正在走向现实。这些外骨骼通过自带动力来辅助瘫痪病人行走,给他们自主活动的自由。曾经在“让瘫痪病人行走的机器外骨骼”中介绍过加州伯克利的SuitX公司的产品Phoenix。而就在最近,美国FDA批准了新的一款机械外骨骼上市。

这种外骨骼名为“Indego”,是由美国范德堡大学一个工程学实验室设计制造的,并由一家名为Parker Hannifin的公司进行了商业化。它是一个长达10年的科学研究成果,并在短短3年内由Parker Hannifin带向了市场。

虽然机械外骨骼听起来像是科幻小说里的东西,但过去10年来,微电子、电池和电动技术已经使这种可穿戴的机器设备走向现实。Indigo外骨骼会紧紧捆住患者的躯干部分,刚性支撑组件绑在腿部,上部由臀部延伸到膝盖,下部由膝盖延伸到脚部,髋关节和膝关节由电脑控制的微型马达提供动力。患者可以使用附带的电动拐杖来保持平衡。Indigo外骨骼还有点类似Segway平衡车,使用者身体前倾时,它就会自动启动;如果向后倾并保持几秒钟,就会自动坐下。

Indigo外骨骼是FDA批准的第二款机械外骨骼,第一款是2014年上市的Argo Medical Technologies公司的产品ReWalk。Indigo外骨骼进行了美国最大规模的临床试验。在1200多个实验者中,每个人都使用Indigo在室内和室外的路面和装置上行走,没有发现任何严重的不良反应。而Indigo的设计目标之一是最大化患者的自由程度,例如允许患者在轮椅上穿戴和脱下设备,结果Indigo比其他设计中的外骨骼都更小、更轻便。

同时,Indigo也针对康复训练进行了专门设计。当患者完全瘫痪时,Indigo接管所有行走工作;但当患者有一定的肌肉控制能力时,Indigo会尽量让患者使用自己的肌肉功能,根据患者的能力调整辅助的程度。这是对患者肌肉控制的一种康复训练。此外,它还是唯一一款使用了功能性电刺激的可穿戴外骨骼,通过对瘫痪肌肉进行微小的电脉冲刺激,可以让肌肉收缩和放松,改善患者腿部力量。即使对完全瘫痪的患者,这种电刺激也能改善血液循环,增加骨密度并减少肌肉萎缩。

长期卧床和坐轮椅的人会有更多的健康问题出现,泌尿、呼吸、心血管和消化系统都比正常人更差,还往往伴有骨质疏松、褥疮、血管栓塞等问题。机械外骨骼的存在,可以让瘫痪患者有更多的站起来并活动的机会,对患者的生理和心理都有很大的好处。去年Indigo就已经在欧盟上市,售价为8万美元。相信随着成本的降低和更多产品的竞争,这一类产品会让越来越多的普通病人享受到科技带来的好处。


上个世纪60-70年代的阿波罗计划,带来了航空航天及相关技术的突飞猛进,甚至促进了科学的整体快速发展。30年前启动的基因组计划也有类似效果。如今,美国投资一亿美元开启了另一项媲美阿波罗计划的项目:皮层网络的机器智能计划(Machine Intelligence from Cortical Networks,MICrONS),希望对1立方毫米的大脑进行反向工程,研究其计算方式。

MICrONS隶属于美国高级智能研究计划(Intelligence Advanced Research Projects Activity,IARPA)及部分奥巴马脑计划(BRAIN Initiative)。IARPA的命名模拟了美国国防部下属著名的国防高等研究计划署(DARPA)。IARPA招募了3个团队来进行MICrONS项目,分别由哈佛大学的生物学家及计算科学家David Cox,卡内基梅隆大学计算科学家Tai Sing Lee和贝勒医学院神经科学家Andreas Tolias带领,希望为智能研究社区甚至整个世界带来重大变革。

人工智能已经有了巨大的发展,在识别人脸、分辨声音、自动驾驶、甚至各种棋类运动中都有突飞猛进的进步。然而,在复杂和动态的日常环境中,人工智能技术仍然不具备很好的模式分析能力,例如,无法很好地识别重复和模糊的图像,或者通过一两条狗的图片无法识别出所有的狗。

而人类对此就很擅长,不需要任何指导就能自己归纳概括,分辨自己熟悉的声音、找出人群中的熟人等等。MICrONS项目就希望通过对人大脑的研究,来发现计算机还缺什么,需要如何改进。目前的神经网络算法,更多的是在组织学的概念上模拟神经元,而对神经元的计算模式一无所知。因此MICrONS项目的初衷是希望通过对大脑计算模式的研究,来帮助改进目前的人工神经网络等算法。

MICrONS的前期计划是绘制出啮齿动物1立方毫米大脑范围内的所有神经回路。各国脑计划发展带来的新技术,为这个目标的完成提供了坚实的基础。3个团队各有分工。David Cox团队用双光子显微镜(two-photon microscopy)来测量老鼠的脑皮层活动;Andreas Tolias团队用三光子显微镜(three-photon microscopy)探索更深处的区域;哈佛大学另一位神经科学家Jeffrey Lichtman带领团队将1立方毫米的老鼠大脑切片、电镜拍照、区分各神经元和连接;Tai Sing Lee的团队则与哈佛医学院遗传学家George Church合作,为每一个神经元打上“条形码”,来完成连接组的绘制。

MICrONS的后期计划,则是利用对着1立方毫米大脑的了解,去优化人工智能算法。很多研究人员认为大脑是贝叶斯式的,大脑会以概率分布的方式来表征外界信息,并基于过去的经验对新的信息进行计算得到最可能的解释,即对外界信息有个合成的过程,随时进行期待和预测,并解释和利用新输入的信息。例如视网膜上接受和产生的信息只是二维结构,大脑可能用一个基于概率的模型去从视网膜信息中推导出三维结构,就能在复杂的场景中,即使面对不同角度、距离和光照,也能轻易识别物体。MICrONS就希望能够以此让机器获得更好的概括能力、更好的抽象能力以及对稀疏数据的使用能力。这是最难的部分。

很多研究人员对MICrONS前半部分表示乐观,但对后半部分表示怀疑。在现有基础上,对神经元的结构和连接、以及彼此互动的方式进行研究是完全有可能的,但要把这些信息拿出来去优化人工智能算法,是一件还没什么谱的事情。

MICrONS计划于欧洲脑计划(Human Brain Project)听起来类似,但David Cox说,他们的项目在技术上和逻辑上都与欧洲脑计划不同。他们的目的并非模拟大脑,与欧洲脑计划是完全相反的。同时,他们也充满信心,尽管可能结果并非像预期一样,但不管结果是什么,都是对大脑未知的探索,都不是失败。

中文翻译版:美国政府公布耗资1亿美元的「阿波罗大脑计划」


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