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近年来，神经科学领域取得的突破比任何其他科学领域都快。这里有 22 项真正令人兴奋的神经科学研究，它们挑战了我们对自己是谁或我们可以成为谁的先入之见。
今年早些时候，麻省理工学院的科学家开发了一种新技术，将结构映射（大脑解剖学）与功能映射（大脑的行为方式）配对——这是第一次正确实现这一目标。此外，这是在活体小鼠身上完成的，实时在小鼠大脑区域进行映射。这段视频让我们了解到，看到大脑结构和实时活动的耦合随着向老鼠展示不同的图像而发生变化是多么令人着迷。
这项先锋技术将三次谐波发生 ( THG ) 三光子显微镜与视网膜专题图，允许通过电信号通过深层脑组织观察活动。
它还提供令人惊叹的分辨率，允许研究单个神经元及其子结构，以及细血管和髓磷脂（一种已知是大脑处理速度的关键因素的绝缘体）。
这项研究的重点是大脑的视觉中心，但同样的方法也可以用于研究其他区域。它有望成为了解健康和患病大脑状态差异以及大脑如何响应环境刺激的强大工具。
名为COSMOS双焦点显微镜取得了重大突破。他们的工作捕捉了小鼠大脑整个大脑皮层神经活动的视频。
这些信号是通过从三个不同角度拍摄大脑来记录的，然后通过计算提取信号以提供左右半球宏观活动的实时视频。在这个示例中，您可以真实地看到真实大脑正在发生的非凡电风暴。
随着大脑皮层处理复杂的高级认知功能，像决策过程这样的更神秘的行为现在可以开始以全局的方式被揭开。例如，为了理解依赖于感官知觉和运动功能的决策之间的关系（想想决定以哪种方式躲避迎面而来的汽车涉及到什么）。
研究人员还期望 COSMOS 能够成为一种低成本的方法来筛选精神科药物的效果，以便开发出功能更有效的药物。
之前的博客中所介绍的，谷歌Deep Mind人工智能程序的一项重大突破是通过模仿人类思维的新皮质柱来实现的。这导致使用一小部分计算能力大大提高了智能。结果，这个人体模型人工智能现在已经超越了世界上最好的国际象棋、围棋和电子竞技选手。
尽管尚未完全了解，但睡眠对哺乳动物和人类的大脑起着至关重要的作用，只要忍受睡眠不足，今年，洛斯阿拉莫斯国家实验室发现，人工智能系统的尖峰计算网络也会遭受某种睡眠不足的困扰，在长时间不休息的情况下会变得不稳定。然而，当进入类似于我们在睡眠期间经历的脑电波的网络状态时，最佳性能就会恢复。
这听起来可能没什么大不了的，但人工智能的进步可能会改变我们所有人的生活方式。研究结果还暗示，神经科学和人工智能领域的融合学科可能会催生超级智能计算机的新时代。
一种微型大脑装置已被用来改善运动神经元疾病引起的严重上肢瘫痪患者的生活质量。这项试验在墨尔本大学进行，将新的微型技术植入参与者的大脑中。
这种名为 Stentrode™ 的装置通过锁孔手术插入颈部，然后通过血管进入运动皮层。这种微创方法避免了开颅手术的相关风险和恢复并发症。
该植入物使用无线技术将特定的神经元活动传递到计算机中，并根据患者的意图将其转换为行动。令人惊讶的是，这款微型芯片允许患者执行点击和缩放等操作，并以 93% 的准确率书写，帮助他们做我们认为理所当然的事情，如发短信、发送电子邮件和在线购物。
虽然现在还处于早期阶段，但这种治疗的微创性质表明，微神经技术在帮助患有各种认知障碍的人们方面具有巨大潜力。
2018 年，我们报道称，科学家们学会了如何将干细胞重新编程为特定的神经元。今年，来自美国四所大学的研究人员朝着延长生命的圣杯迈出了更大的一步。通过识别调节细胞再生的基因网络，他们已经能够操纵正常细胞转变为祖细胞，祖细胞可以演变成任何细胞类型来替代垂死的细胞。
他们的概念验证是用斑马鱼的神经胶质细胞进行的，有效地将它们转化为干细胞，然后检测并修复受损的视网膜细胞，以恢复受损的视力。
细胞死亡或细胞凋亡在人类不可避免的自然衰老中发挥着重要作用。研究人员认为，大脑中神经元的再生过程将是相似的。如果成功，它将对阿尔茨海默氏病等疾病产生巨大影响，阿尔茨海默氏病可能导致大脑大片区域因神经元死亡而丧失。它还可能在预防大脑自然衰老的许多副作用方面发挥作用，使人在老年时能以最佳状态生活得更长久、更健康。
海德堡大学的科学家们并没有取代垂死的细胞，而是确定了与脑细胞死亡有关的关键过程，称为神经变性。细胞谷氨酸摄取的过程，通过该过程可以防止健康人的细胞死亡，但在中风等疾病状态下变得不活跃，脑细胞的氧气供应受到限制。
实际上，这会导致细胞自杀，仅仅是因为它们没有获得正确的化学信号来告诉它们保持活力。研究人员随后开发出了一类特殊的抑制剂，可以在细胞“死亡复合物”发生之前介入并使其失活。
这些抑制剂在保护神经细胞方面表现出高度有效，有望为神经退行性疾病带来一类新的治疗选择。
奥尔胡斯大学的研究人员使用先进的 PET 和 MRI 成像技术揭示帕金森病实际上是该疾病的两种不同变体。
在一种变体中，疾病始于肠道，然后通过神经连接传播到大脑。另一方面，它从大脑开始，然后进入肠道和其他器官。该视频提供了很好的概述。
虽然不是治愈性的，但这是朝着正确方向迈出的重要一步，能够识别早期发病并采取预防措施。例如，它可能会导致治疗方法阻止疾病甚至完全进入大脑，随着时间的推移，这种影响会变得越来越虚弱。肠脑轴）的另一个关键部分。
剑桥大学和伦敦帝国理工学院的科学家开发了一种新型人工智能算法，可以从地形 CT 扫描数据中检测、区分和识别不同类型的脑损伤。
CT 扫描收集大量数据，专家可能需要花费数小时进行分析，这需要包括随着时间的推移对多次扫描进行集体评估，以跟踪恢复轨迹或疾病进展。这种新的人工智能工具似乎比人类专家更擅长检测此类变化，而且速度更快、成本更低。
例如，他们的研究表明，该软件在自动量化多种类型脑部病变的进展方面非常有效，有助于预测哪些病变会变得更大。这种人工智能协助人类分析的创新应用可能是以经济有效的方式改变医疗诊断的众多应用中的第一个。
超级老年人是指在老年时认知能力远远超过同龄人，并且在 70 岁和 80 岁时仍保持年轻心智能力的人。到目前为止，人们对保持峰形的秘密知之甚少。
科隆大学医院和于利希研究中心发现了它们生物学上的一个关键差异。通过 PET 扫描，他们发现超级老年人对tau 蛋白和淀粉样蛋白的。直到最近几年，这些蛋白质已被证明很难研究。
超级老年人的 tau 蛋白和淀粉样蛋白病理水平也较低，这反过来会导致大多数人在晚年出现各种神经退行性疾病。现在已经确定，对 tau 蛋白和淀粉样蛋白积累的抵抗力降低是导致最佳认知状态丧失的主要生物学因素。
新的研究可以集中在这些过程上，以找到可能普遍治愈智力衰退的方法，并帮助开发治疗方法来预防已经发生的痴呆症。
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。
就在我们说话的时候，马克斯·普朗克进化人类学研究所正在建造“微型大脑”，该大脑在基因上移植了多个版本的尼安德特人 DNA。CRISPR 的自下而上的未来生物技术，这些扁豆大小的迷你大脑将包含由干细胞生长的活神经元簇，执行真正的大脑活动。
尽管它们太小而无法涉及任何复杂的行为，例如交流，但预计它们将揭示尼安德特人可能具有的基本大脑活动的差异。通过这种方式，遗传学为神经科学提供了一种历史望远镜，使其能够观察古代大脑的运作方式。这一切都来自于骨骼碎片中保存了数万年的 DNA。
如果您认为这就像培养皿中的几个细胞一样简单……请再想一想。德国研究人员正计划将尼安德特人的迷你大脑连接到机器人上，以观察行为输出。比未来主义科幻电影的情节更加雄心勃勃，如果成功的话，人们对未来几年可能发生的事情感到难以置信——尼安德特人的机器人房子会为任何人提供女佣吗？！
神经科学家面临的最大挑战之一是研究活体大脑非常困难。即使大脑最近死亡，神经元也会在死亡后数小时内迅速分解，实际上是瓦解。为了应对这一挑战，耶鲁大学的神经科学家们奋力拼搏，创建了一种名为BrainEx。这种高科技支持系统旨在保持脑细胞的活力，就像头发和指甲在死后不断生长一样。
在对该技术进行测试时，研究人员使用 BrainEx 恢复了死亡四个小时的猪大脑的突触活动和循环。猪的大脑被从猪身上取出，并通过使用保护剂、稳定剂和造影剂的专有混合物进行人工血液供应来恢复。这发生在细胞和分子功能开始遭到破坏之前。下图显示了死亡 10 小时后正常分解的猪脑（左）与复活后猪脑中看起来健康的细胞（右）之间的差异。
僵尸部分来了。尽管神经元一直保持活跃和活跃，但大脑回路中没有更高级别的功能活动——因此既活着又死了。这种从弗兰肯斯坦式小说到非小说类小说的转变，展示了神经科学如何将重大伦理问题从哲学转向实践。
不过，该生物技术并不局限于僵尸猪，原则上它适用于任何类型的哺乳动物大脑……包括人类！这一突破对于提高我们对自己思维运作方式的认识具有巨大潜力。与此同时，它看起来确实非常接近起死回生。
更鼓舞人心的是，2019 年还出现了能够将大脑活动转化为合成语音的计算机系统。它的工作原理是通过电生理活动分析的神经冲动来解码参与言语的肌肉运动。加州大学旧金山分校的实验结果表明，如果说话速度很慢，原型版本可以通过肌肉神经信号成功地解释语言。
研究人员希望将生物技术提高到自然语音速度，即每分钟 150 个单词左右。尽管如此，考虑到只测量大脑信号，这已经相当了不起了。这是一段视频，演示了如何将说话者体感皮层的大脑活动模式解码为声道运动，然后将其解释为语言。
许多科学家之前曾尝试解决这个问题，但都失败了。这些研究人员采用了一种新方法，创建人工智能模型来构建声道模拟。实际上，人工智能随后从语音实验数据库中进行自我学习，并训练其神经网络，使其能够从声音动作中解码语言。这些进展可能是在计算机程序中模拟人类生物学以用于研究目的的重要步骤。
从医学角度来看，许多患有喉咙或神经系统疾病（例如中风或瘫痪）的患者可能会完全丧失言语能力。这种神经技术与智能手机相结合，可以让失声者在日常生活中，只需思考说话即可正常地进行实时交谈。
然而，由于模拟语音只需要读取大脑活动的一小部分区域，并且语音几乎可以发送到任何计算机，因此任何人都可以通过智能手机和耳机悄悄地、秘密地与任何人进行交流。由于该系统可以是双向的，因此它代表了人类心灵感应的字面神经技术解决方案。可能性是无限的。
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