人類的腦如同一個小宇宙，充滿了許多未解的謎團。科學家也發現，人類神經元網路和宇宙星系有極其相似的複雜組織結構，換言之，探索人類的腦部難度與探索宇宙不相上下，腦科學也成為全球矚目及關注的重要研究領域。
&nbsp;
研究工具及技術的進步，不僅有助於人類對腦的進階解讀，亦可成為增進健康福祉、發展精準醫療、促進產業升級的助力。藉由科技部推動計畫及相關領域學者的投入，橫跨基礎科學如超音波、光學、計算神經科學，以及新科技如系統單晶片與AI，都將成為解開腦科學及神經系統之謎的敲門磚。
&nbsp;
[data-component=gallery]
&nbsp;
<h2>以超音波窺探腦功能圖譜</h2>
從診斷使用的影像超音波到治療用途的聚焦超音波，超音波的醫療發展已長達3、40年，但用於腦部則是近10年才出現的新突破，原因是改採傳統診斷超音波完全不用、但穿透力高的新頻段，化解頭部被頭骨完全覆蓋的第一道障礙。
&nbsp;
國立臺灣大學電機工程學系劉浩澧教授表示：「相較於腹部等軟組織，既有的超音波技術在頭部的穿透力只有1%，不同頻段的新技術則可達到40%。超音波在腦部雖然無法發揮影像功能，卻彌補了刺激工具的不足，不僅可協助腦部醫療，也能用於探索腦區功能。」
&nbsp;
聚焦超音波結合追蹤定位技術，可達到無需開刀就能進行治療的效果，例如：熱燒深層組織的腫瘤。應用於腦部醫療，則可在無創的前提下穿透頭骨並短暫開啟局部的血腦屏障，成為高效率的腦部藥物遞送工具，讓腦部疾病用藥的選擇不再有重重限制。
&nbsp;
至於腦部探索，以往主要面臨的挑戰是難以深入及精準度不易掌控，超音波精確及效果與針炙極為相似，藉由局部產生刺激的做法，可進行腦部神經調控，影響神經元。
&nbsp;
劉浩澧教授說：「人類對大腦的所知僅止於結構，如何掌握每個區域的功能職掌，則是接下來的挑戰。透過科技部的計畫支持，我們規劃以超音波對大腦進行局部刺激，整合功能性核磁共振（Magnetic Resonance Imaging, MRI）來觀察其反應及變化，希望能逐步建立大腦功能圖譜。」
&nbsp;
&nbsp;
<h2>新世代光技術 腦部軟體現形</h2>
在專家眼裡，大腦和電腦有其相似性，腦部結構及數量龐大、種類繁雜的神經元和細胞，如同構成電腦的各種硬體零組件，個別功能的內部運作機制則是作業系統與應用程式等軟體。但大腦的軟體現仍是一團謎，光學技術的進展則為此帶來一絲曙光。
&nbsp;
國立臺灣大學物理學系朱士維教授表示：「光學可在活體狀態觀察個別細胞及其內部結構，而且能達成對比、解析度、深度及速度這4項觀測條件的要求，可說是進行腦科學研究的極大優勢。」
&nbsp;
以光學進行的觀察目前都在小型模式動物，例如果蠅與老鼠身上進行，目的是理解腦部如何運作並進而推論其中的軟體，因此必須看到活體細胞如何個別運作和相互溝通。
&nbsp;
光對軟組織的穿透能力極佳，但肌肉、血管、神經是一層又一層的不同構造，一般的光學顯微鏡只會看到一團模糊的影像，要將這種厚組織一層層地分開觀察，需要進一步發展光學切片能力，共軛焦顯微鏡是最先出現的解方，雙光子顯微鏡則是進化版方案，能以更長的波長提供更深的穿透能力。
&nbsp;
朱士維教授說：「找出看到神經反應的方法是最主要的前進方向。我們的研究團隊開發出世界上最快的雙光子影像技術，同時也滿足深度的要求，接下來的重點則是將超解析技術應用於活體，在不干擾原本狀況的前提下進行活體觀察。」
&nbsp;
&nbsp;
<h2>計算神經科學與電腦運算的互用互利</h2>
計算神經科學使用數學與物理來研究腦的運作原理，其發展時程幾乎與電腦科技同步，計算神經科學所使用的數學模型越來越複雜，因此需要使用大量的電腦資源來協助運算；相對地，計算神經科學的研究成果也正在反饋給電腦科技，成為新應用如機器人（intelegant robot）與人工智慧（artificial intelegence, AI） 的研發助力。
&nbsp;
國立清華大學生命科學院羅中泉教授領軍的實驗室，主攻空間觀念及空間記憶，藉由研究果蠅神經網路來觀察大腦如何記憶地標，以及地標消失或處於不可見的黑暗時，如何以大腦既有的環境地圖進行導航。
&nbsp;
相較於人類腦部擁有近千億的神經元，果蠅雖僅有十多萬神經元，但行動仍比想像中更為複雜，例如：具備學習能力、擁有短期及長期記憶，以及類似決策與注意力的高階腦功能。羅中泉教授說：「清大腦科學中心建構了全球最完整的果蠅腦神經圖譜，如果能將果蠅小巧的腦部運作機制應用在機器人，就能建立高效率、低功耗的仿神經軟硬體。」
&nbsp;
腦部小巧的昆蟲其運算能力遠遜於電腦，就連眼睛解析度也很低，但飛行能力代表昆蟲擁有比人類更強大且複雜的的三維空間認知，而且在飛行過程僅靠著觀察景物在視野中的流動，無需辨認物體，就能達到完全避障的效果。相較於發展成熟且需要大量運算能力的深度網路和機器學習，發展模仿昆蟲大腦的小型網路可說是反其道而行。
&nbsp;
羅中泉教授計畫應用果蠅的視覺避障機制，在未來一年內展示搭配演算法的小型自走車或飛行器；另一方面，也將持續運用日新月異的電腦與深度網路的運算能力，協助分析果蠅大腦的網路結構與相關大數據資料庫。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>系統單晶片以省電多工提升植入式電子醫材療效</h2>
大腦和電腦相似之處在於同樣用電來傳送訊號，無論強度增減都會造成神經失調，像是癲癇發作時，可觀察到腦部特地區域的異常放電狀態；或巴金森氏症病患視丘下核(STN)腦區，會有頻帶的特定腦波訊號出現。。也正由於以服藥治療腦部的神經性疾病經常面臨副作用、抗藥性、藥效過輕甚或無效等棘手問題，以電來治療腦部疾病的研究已成為國際顯學，例如：透過打入負電的反向刺激來強迫中斷不正常的放電狀態。
&nbsp;
目前市面上針對帕金森氏症的植入式電刺激器，都採取開迴路且持續進行電刺激的模式在運作，電力持久性和過度刺激都會造成醫療上的考量。改採系統單晶片（System on a Chip, SoC），不僅能化解這些狀況，功能也更為精密且多樣。目前，國立陽明交通大學「生醫電子轉譯研究中心」柯明道教授的團隊以積體電路設計技術開發出智慧型閉迴路帕金森氏症治療專用之系統單晶片，並組裝完成體外機，且已通過電性安全檢驗，即將與國內醫院合作招募受試志願者。
&nbsp;
柯明道教授表示：「系統單晶片可將豐富的功能集結在單一晶片，可以恆時進行腦波監視、即時運算、有症狀時可立即進行電刺激的治療，系統單晶片以低功耗的省電效益來降低電能的耗損，並同時降低電刺激器因電路運作時而導致的温度上升，以克服植入式醫療電子器材在應用時耗電與發燙之實務問題。」
&nbsp;
另一個好處則在於量身打造的智慧型閉迴路精準治療模式，只在偵測到患者腦波出現異常症狀時，才給予電流刺激；此外，搭配無線資料傳輸的設計，醫生可從體外讀取植入體內之醫療電子裝置上所儲存的監控紀錄，因應病況來調整電刺激的強弱設定，植入式醫療電子裝置並具有無線充電的功能，可以在體外以無線電能續充的方式來維持植入式醫療電子裝置的長期運作以進行即時有效的治療。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>從研究到臨床的全面AI支援</h2>
失智症與神經退化疾病源於腦細胞的死亡，對此，將人工義肢的概念延伸為電子細胞，運用晶片技術來修補損失的腦細胞，成為許多研究者的遠大夢想。
&nbsp;
目前全球每年約使用超過400萬隻實驗鼠進行腦神經研究，但絶大多數必須局限其活動範圍或以打麻醉的方式，避免實驗鼠身上的裝置鬆脫；此外，必須透過多重儀器才能執行實驗也造成不便。
&nbsp;
國立清華大學電機工程學系陳新教授的團隊以多功能單晶片來改良實驗器材，將儀器微型化至可戴在實驗動物頭上的大小，並使用手機和平板等行動裝置來控制及刺激，而且只用單一儀器就能同時控制多隻實驗動物，這也有助於加速數據收集。
&nbsp;
研究過程裡，以人工智能（AI）輔助的重要性與日俱增。陳新教授表示：「晶片技術與AI演算法的結合，特別適合發展非侵入式的穿戴式裝置，協助改善生理狀況與提供治療功能。」
&nbsp;
AI應用可協助驗證各種神經調控法，亦可用於偵測神經的異常活動並啟動電流刺激，還能同時達到精準治療、提升療效、降低干擾其他神經活動的效果。此外，還能以AI協助進行早期偵測的預防醫學。
&nbsp;
陳新教授指出，神經疾病收集的資料量極大，許多醫生雖有資料卻無力解讀，透過AI的大數據分析來協助醫生判讀資料，掌握早期治療契機，就能避免如巴金森氏症患者確診時，神經平均已損壞達20%的憾事。
&nbsp;
&nbsp;
（客座總編輯 <a href="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/">| 長庚醫療財團法人生物醫學轉譯研究所／特聘講座教授 華瑜、國立中央大學生醫理工學院院長 / 認知神經科學研究所講座教授 阮啟弘</a>；研究顧問團隊 | 臺大醫學院副院長／臺大醫院神經部主治醫師 謝松蒼、中央研究院生物醫學科學研究所副所長 陳志成、國立臺灣大學心理系特聘教授兼系主任 周泰立、臺北醫學大學人文暨社會科學院副院長／臺北醫學大學心智意識與腦科學研究所所長 曾祥非；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

國立清華大學生命科學院羅中泉教授計畫應用果蠅的視覺避障機制搭配演算法的小型自走車或飛行器。圖為果蠅腦部飛行系統模擬圖。圖片提供／羅中泉教授

光學可在活體狀態觀察個別細胞及其內部結構，且達成對比、解析度、深度及速度這4項觀測條件要求，是進行腦科學研究的極大優勢。圖片提供／朱士維教授

聚焦超聲波於血腦屏障監測、研究與應用。