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年复一年，神经科学发现的步伐既令人兴奋又不懈。从实验室培育的迷你大脑，到揭开人类大脑进化秘密的人工智能，请欣赏 2021 年最惊人的 7 项突破。
加州大学旧金山分校的一个研究小组成功开发了一种使用深部脑刺激（DBS）的方法，仅在抑郁症状出现时适应性治疗它们。深层脑刺激涉及在大脑内植入电极以传递电流来改变大脑活动。
以前的研究在用 DBS 治疗抑郁症方面取得的成功有限，因为设备只能在大脑的一个区域提供持续的电刺激。然而，抑郁症会影响大脑的各个区域，并且抑郁症的神经特征可能会不可预测地上升和下降。
为了本质上为大脑创造一个起搏器，科学家们解码了一种新的神经生物标记。这种特定的大脑活动模式可以有效地预测症状的出现。有了这些知识，团队定制了一种新的 DBS 技术，该技术仅在识别出该模式的时间和地点激活。
自动按需治疗的类型令人印象深刻，因为它的功能反应对于患者的大脑和引起疾病的神经回路都是独特的。在第一次试验中，这种定制的 DBS 方法在一名患有严重抑郁症的患者身上进行了测试，并顺利通过。几乎立刻，患者的症状就得到了缓解，并且这种情况持续了很长时间。
在焦虑和心理健康问题日益普遍的新冠时代，这种方法可能对数亿人来说是一种非常宝贵的无药物疗法。
与光波类似，人类只能感知到我们周围传播的声波的相对较小的频谱。通常我们只能接收 20 Hz 到 20,000 Hz 之间的频率，超出此范围则被视为超声波。这是蝙蝠等动物活动的频率范围，也是超声波医学扫描所使用的频率范围。
阿尔托大学的科学家开创了一种利用先进技术的新方法，并开发出了一种基本上人类提供蝙蝠级别听力。这不仅包括能够听到远远超过 20,000 Hz 的频率，还包括辨别声源的方向和距离的能力。例如，对于生物学家来说，它允许人们追踪飞行中的隐形蝙蝠，并定位它们的位置。
它的工作原理是通过球形麦克风阵列记录超声波，该阵列检测超声波并使用计算机将音高转换为可听频率。然后它通过耳机实时播放转换后的声波。能够感知通常听不见的声音可能具有有价值的工业应用，例如能够听到并定位原本无声的气体泄漏。
尽管神经科学是一个相对年轻且发展迅速的科学领域，但人工智能 (AI) 既更新又发展得更快。麻省理工学院的研究人员揭示了将这两个科学领域结合起来的潜力。
通过机器学习，他们发现人工神经网络可以在短短几分钟内自学如何闻气味，实际上模仿了哺乳动物大脑中的嗅觉回路。这是意义深远的，因为投入使用的算法并不了解生物学上产生气味所需的数百万年的进化。
然而令人惊讶的是，人工神经网络如此精确地复制了气味的生物活动，以至于揭示了大脑的嗅觉网络在数学上对其功能进行了优化。
通过独立的机器学习精确模仿大脑回路的自然结构可能预示着一个新时代的到来，人工智能将通过这个时代告诉我们生物进化的内在秘密。嗅觉是 2021 年的起点，但谁知道这会通向何方……
加州大学旧金山分校的研究人员为瘫痪患者一种新型言语神经假体该方法在一名脑干严重受损、导致全身瘫痪的男子身上得到了成功验证。
有点值得注意的是，它的工作原理是检测控制声带的与言语相关的大脑信号。当我们说话时，声带需要复杂的运动功能指令，以便清晰地表达我们在交谈时使用的各种声音。即使无法移动，这些信号仍然可以从大脑发送。
利用癫痫患者的大脑录音，科学家们开发了一种将发给声带肌肉的指令实时解码为单词的方法。根据这些神经模式，每当患者思考时，他们就能可靠地辨别出 50 个不同的常用词。
患者所需要的只是佩戴高密度电极阵列来捕获和记录神经活动，从而记录来自言语运动皮层的信号。每分钟可翻译 18 个单词，准确率达 93%。对于患者来说，优点是他只需表现得像在真正说话一样，他就可以从 50 个单词的词汇中表达出数百个不同的句子。
尽管这一突破似乎仅限于瘫痪患者，但我们每天晚上做梦时都会经历瘫痪（除非我们梦游）。如果进化得足够好，这种方法可以为在睡觉时翻译我们的想法铺平道路！
微型大脑在技术上被称为“大脑类器官”，可以从诱导多能干细胞。这些干细胞可以取自人的皮肤或血液，并且有可能转变为任何类型的细胞。好处是细胞结构通常很难获得，但原则上可以生长和分离以供研究。这与大脑尤其相关，但是以前的迷你大脑的功能结构有限。
今年的突破性进展是通过生长类器官聚集体来形成复杂的三维大脑结构，从而提高了结构的复杂性。研究人员从雷特综合征（一种癫痫发作的疾病）患者身上提取干细胞，并能够培育出具有与人脑部分功能相似的功能活动的迷你大脑。这意味着他们能够安全、成功地观察类似于癫痫发作的电活动模式。
这项研究首次表明，大脑功能的某些方面可以在实验室中分离和研究到单个活细胞的水平。主要优点是这些迷你大脑可以复制正常和患病大脑功能的各个方面，以及测试药物和治疗方法，而不会对人类或动物造成风险。
人脑规模巨大，因此可研究的大脑结构的复杂性仍然存在明显的局限性，但显然这个新兴的神经科学领域具有科幻般的潜力。
近几十年来，随着计算能力的指数级增长，微芯片的尺寸逐年变得越来越小。布朗大学专注于技术的现已开发出一种无线计算机，其体积非常小，人眼很容易忽略。被称为“神经颗粒”——因为它们的大小与一粒盐差不多——它们是为了跟踪和监测大脑活动而开发的。
这些超微型计算机能够记录附近神经元的电活动，并无线传输数据。目标是开发一种新型脑机接口（BCI）系统，其中微型传感器网络可以集体跟踪大脑活动的有意义的方面，并将信息发送到附近的中心。
在概念验证实验中，研究人员部署了一个网络，成功记录了啮齿动物的神经活动，其准确性比以往任何时候都高。这种以前所未有的细节记录大脑信号的技术仍处于早期阶段，但这项技术突破有望将脑电波转化为现实世界中有用的动作，而无需任何体力劳动。
今年，一种新型的微电极阵列被用来通过视觉假体创建一种人工视觉。犹他大学约翰·A·莫兰眼科中心的科学家制造了这种设备来记录和刺激视觉皮层内的神经元活动。
该阵列植入眼睛内，通过包含小型摄像机的眼镜接收视觉信息，并由专门的软件处理数据。然后，该设备激活视网膜神经元产生光幻视，就好像它们正在接收光点一样。反过来，让大脑感知线条和形状的基本图像。
对完全失明的患者进行试验后，这种方法被证明是有效的，并且没有手术或神经元刺激引起的并发症。在第一个测试中，仅使用了一个阵列。然而，下一个目标是使用 7 到 10 个阵列来提供更详细的图像，让盲人能够真正通过视觉导航世界。
西北大学的研究人员应用一类新的“跳舞分子”来修复严重脊髓损伤的组织并成功逆转瘫痪。跳舞部分涉及操纵这些分子的运动，使它们能够进入通常无法到达的细胞受体，从而促使它们开始修复神经组织。
这些看似神奇的分子的作用是引发级联信号，触发轴突再生，并通过鼓励各种新细胞类型的诞生来帮助神经元在受伤后存活。这反过来又支持细胞愈合所需的丢失血管的再生。
在小鼠身上进行测试，只需注射一次分子疗法，瘫痪的小鼠就能在四个星期内再次行走。比较方便的是，12 周后（恢复完成后），这些材料生物降解为细胞的营养物质，没有任何副作用，有效地从体内自然消失。
几十年来，心理物理学家一直在使用虚拟现实（VR）来研究我们如何感知感官信息。今年，瑞士最古老的大学巴塞尔大学的研究人员开发了一种虚拟现实应用程序来实际治疗身高恐惧症。
名为Easyheights ，使用真实位置的 360° 图像提供暴露疗法。佩戴 VR 耳机，用户站在距地面一米的平台上，然后随着用户适应每个阶段的高度而逐渐升高。它的作用是增加对高度的感官暴露，而不会增加恐惧程度。
一项临床试验证明了这种沉浸式治疗的功效，可显着减少真实身高情况下的恐惧症。只需四个小时的家庭培训即可体验到这些好处。这一发现表明，如何将神经科学知识与当今的技术相结合，能够以易于获取的方式在临床上改善人们的生活质量。
NeuroTracker 的多种研究方法对大脑如何影响人类表现和健康产生了一些有趣的见解
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