麻省理工科技评论评选的14大医疗领域突破科技（下）

　　《麻省理工科技评论》从2001年开始，每年都会公布“10大突破技术”，即TR10（Technology Review 10），并预测其大规模商业化的潜力，以及对人类生活和社会的重大影响。

　　这些技术代表了当前世界科技的发展前沿和未来发展方向，集中反映了近年来世界科技发展的新特点和新趋势，将引领面向未来的研究方向。其中许多技术已经走向市场，主导着产业技术的发展，极大地推动了经济社会发展和科技创新。

　　正如《麻省理工科技评论》主编JasonPonTIn所说，突破性技术的定义非常简单，那就是能够给人们带来高质量运用科技的解决方案。有些技术是工程师们天才创意的结晶；而有的则是科学家们对长期困扰他们的问题所采取的诸多尝试的集大成者（比如深度学习）。评选“10大突破技术”的目的不仅仅是向人们展示新创新成果，同时也是为了强调是人类的聪明才智促生了这些创新技术。

　　因此动脉网将为你筛选从2012年~2016年的医学领域的科技突破。由于技术更迭快，因此只梳理最近5年之内的。鉴于文章篇幅太长，将分为上下两篇，在《麻省理工科技评论评选的14大医疗领域突破科技（上）》中我们已经介绍七种近五年医学领域的科技突破，本文为下篇。这些技术是为解决问题而生，将会极大地扩展人类的潜能，也有可能改变世界的面貌，值得在未来给予特别关注。

　　神经形态芯片可以直接模拟大脑的行为

　　配置了微处理器的芯片比传统芯片更像大脑，它模拟了人脑工作的状态

　　成熟期：还未有重大突破

　　突破点：电脑芯片的一种替代设计，能够实时模拟大脑处理信息的过程，有助于科学家们制造出能同周围环境实时交互的认知系统，促进人工智能技术发展

　　重要性：传统芯片已经达到性能极限。

　　该领域主要参与者：高通（Qualcomm），IBM，HRL实验室（HRL Laboratories），人类脑计划（Human Brain Project）

　　神经形态芯片的概念，要回溯到几十年前。1990 年，加州理工学院名誉教授 Carver Mead 在一篇论文中给出了它的定义。不过，自从高通开发了一个叫做“先锋”的机器人开始，才被熟知。先锋机器人使用的只是一个智能手机芯片，它模拟了人脑工作的状态，运行了特制的软件而已，它能识别此前未见过的物体，根据相关物体的相似性来分类，将不同的物品放在房间的正确位置。

　　人脑有几十亿神经元、几千亿个突触，可以同步处理视觉、音频等信号，神经形态芯片在芯片中模拟人脑同步处理多种数据的能力。根据图像、声音或其他信号的变化，神经元可以改变与其他神经元之间的联系。所以说，这些神经形态芯片模拟的是人脑的神经网络，可以实现人脑的部分功能。它们实现了人工智能领域需要几十年才能完成的任务，让机器可以像人一样理解世界、与世界互动。

　　一些大学和研究机构也在试图实现这些功能，比如说 IBM 实验室和 HRL 实验室。这两家已经花了 1 亿美元来为美国国防部高级研究项目局研发神经形态芯片。此外，欧洲人脑项目联合海德堡大学和曼彻斯特大学的研究者也花了 1 亿欧元来研究神经形态项目。根据 IBM 实验室的研究员 Dharmendra Modha 的描述，这种芯片可以让盲人通过视觉和音频传感器来识别物体，提供音频提示；健康监测系统可以检测生命体征，及早发现潜在的风险，为病人提供个性化的治疗手段。医疗传感器和设备可以追踪病人的生命体征，根据时间采取医疗对策，学会调整药量，甚至可以及早发现病情。

　　在成本上，高通公司希望产品设计实用性大于性能表现。这也就意味着高通的神经形态芯片依旧是在数字芯片上开发的，这样做比研发模拟芯片更简单，生产更容易。模拟芯片要完成的模拟大脑，而高通的芯片模拟的是大脑的行为。比如，神经形态芯片编程、传输数据的方式模拟大脑处理感官数据处理时的电子脉冲。多年来，科学家们一直在尝试进一步探究神经形态的电路架构，其中的难点就在于如何处理神经元和硅之间的重叠部分——突触以及逻辑门，甚至采用石墨烯等特殊材料来解决这一问题，产品离完全商用还需要时日。

　　微型3D打印的目标是打印出生物组织

　　用不同类型材料打印生物零件，大大扩展了打印范围

　　成熟期：尚不成熟

　　突破点： 使用多种材料来打印东西，例如用生物组织打印血管

　　重要性：促进人造器官和新颖的半机器零件产生

　　该领域主要参与者：Jennifer Lewis（哈佛大学），Michael McAlpine（普林斯顿大学），Keith MarTIn（剑桥大学）

　　3D 打印概念现在看来已经很普通，而且打印的材料也仅限于塑料或者合成金属等常见材料，但是如果能够打印细胞、半导体或者其他生物组织，应用宽度又不一样了。

　　哈佛大学的材料科学家 Jennifer Lewis 是这个行业的领头羊，研究微型3D打印的机制和方法，将物体的功能和形状有效结合在一起。Lewis 和她的学生向外界展示了他们的技术可以打印极小的电极以及微小锂离子电池需要的组件，还可以打印运动员用的塑料贴片，上面包含了多种传感器，可以检测脑震荡，测量其危害程度。令人震撼的是，她的团队打印出了包含复杂血管的生物组织。为了完成这一目标，需要研制出多种类型的细胞“墨水”，以及支撑组织矩阵的基质材料。该技术成功解决了制造用于药物临床测试或人体器官移植的人工组织的一大难题：如何让血管系统中的细胞存活下来。

　　普林斯顿大学的研究团队成功地打印出了仿生耳朵，结合了生物组织和电子部件；剑桥大学的研究者也打印出了用视网膜细胞组成的复杂眼球组织。那么，到底能够打印多么微小的生物组织呢？Lewis 团队安装了一台配有显微镜的3-D打印机，可以精确打印尺寸小至1微米的结构（人体红细胞约10 微米），这对材料要求也提出挑战，比如细胞在被迫通过印刷喷嘴时是脆弱的并且容易被破坏。 她创造的秘密在于具有允许它们在相同的制造过程中都能被“墨水”打印，每种“墨水”都是不同的材料，但是它们都可以在室温下印刷，而且在压力下从喷嘴喷出时，始终能保持一定形状，有点类似挤牙膏。

　　在还没有加入哈佛大学之前，Lewis 在伊利诺伊大学研究 3D 打印技术就已经超过 10 年了，她曾经用过陶瓷、金属纳米颗粒、聚合物以及其他非生物材料。能在 3D 打印的人体组织中加入血管是制造人造器官的重要一步。不过很显然，跟细胞打交道真的很复杂，我们离3D打印出功能正常的肝脏或者肾脏，还相距甚远。

　　液体活检测可以帮助某些癌症的早期筛选

　　快速的DNA测序，应用于癌症的简单血液测试

　　成熟期：广泛应用

　　突破点：血液测试发现早期癌症

　　重要性：癌症每年在世界各地杀死大约800万人

　　该领域主要参与者：香港中文大学卢煜明、Illumina、约翰·霍普金斯伯特·沃格尔斯坦（Bert Vogelstein）

　　卢煜明教授是与无创产前诊断联系在一起的，早在1997年，他的研究小组发现孕妇血浆中存在游离的胎儿DNA，后来直接产生了简单的唐氏综合症检测方法。不仅如此，卢教授正在与世界各地的实验室以及医疗机构竞争，比如约翰·霍普金斯大学，开发基于简单血液检测的癌症（比如患病最多的肺癌，40％的中国肺癌患者在一个基因突变EGFR，这将使他们有机会获得新的靶向药物）筛查技术，即液体活检。

　　虽然目前通过DNA检测预测患癌的风险成本依然很高，但随着测序技术的不断发展，能够快速解码数百万在血液中松散的DNA短片段，通过与人类基因组的参考图谱进行比较，癌症早期筛查将会变得更加简单、便宜、应用范围更加广泛。液体活检的商业利益最近也呈爆炸式的增长。测序巨头Illumina的CEO Jay Flatley表示，液体活检的市场规模至少达400亿美元。他说这项技术可能是癌症诊断领域最激动人心的突破，并表示Illumina将开始向研究人员提供液体活检试剂盒，帮助寻找癌症的早期症状。

　　此外，除了用于癌症筛查（目前并不通用于任何癌症），液体活检还可用于帮助人们对抗疾病。医生可以根据驱动癌症发展的特定DNA突变选择对应的药物和治疗方案。癌症病因相当复杂，研究人员必须系统性的了解他们的病例，这样液体活检才能真正的拯救生命。液体活检现在已经被广泛地运用了，尤其是癌症检测之中，但它们对于提高检测质量和疗效的作用目前尚不明确。