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《本文同步发布于“脑之说”微信公众号，欢迎搜索关注~~》 一、导读 小脑很久以来便被认为是与大脑紧密合作的伙伴，而且两者在人类的进化历程中都发生了明显的扩张。薄薄的小脑皮层的折叠程度甚至超过了大脑皮层。近日，发表在《美国科学院院刊》PNAS上的一篇研究论文利用超高强度磁场磁共振成像对一名被试的小脑样本进行扫描，并对其进行计算重构，在空间分辨率上可以达到最小的折叠褶皱水平。结果发现小脑的表面积大约相当于大脑表面积的80%。此外，还对一只猴子的脑重复人类中的处理流程，发现其小脑表面积与大脑的比值要远远低于人类小脑，只占大约33%。这些结果表明，小脑可能与进化史中人类的一些特有行为以及认知能力的发展中扮演者重要的角色。本文接下来便对该研究进行解读。 二、介绍 在人类的进化过程中，小脑伴随着大脑皮层一齐发生扩张，其中与额叶以及顶叶联合区域有连接的区域的扩张尤为明显。在扩张过程中，以体积以及神经元数量来衡量的话，小脑的变化程度已经超过了大脑皮层。这些进化角度的观点以及神经生理学方面的研究共同表明，小脑在人类人之中所发挥的作用需要进一步的重新评估。 就像新皮层（neocortex）一样，人类的小脑皮层也是有一层薄薄的神经组织复杂的折叠弯曲以保证其二维拓扑结构的前提下最大程度的减小空间体积。然而不同于新皮层，小脑皮层从未被计算手段在最小级别的折叠-薄层（folia）上重构出来过。小脑皮层相比于大脑要更薄，它沿中线像内部折叠，从而将前后部轴大量的神经组织安排到极小的空间中去。这种空间上的各向异性（anisotropy）是由于其结构骨架是由一些平行的中部向两侧发散的神经纤维构成的，正交于前后走向（矢向）床单状浦肯野细胞树突树。一个矢向微单元大约会有10-15个浦肯野细胞，他们接收上行纤维的输入并构成小脑的最基本的计算单元。 该研究是受在小脑运动感觉区颗粒细胞层精细的（60+ 记录点/mm²）微电极记录研究中发现的“断裂型表现”的启发，着眼于得到一个准确的薄层水平的小脑皮层重构。未来对于小脑更加精细的功能定位研究，首先将需要一个细致的量化模型来表征小脑复杂的折叠褶皱结构。 三、研究方法 1.样本准备以及扫描参数：一名女性被试的小脑样本被置于Fomblin填充的丙烯酸缸中，在9.4T强度的的磁共振成像扫描仪（Agilent Technologies）中扫描，采用短TE（PD质子密度加权）以及长TE的（T2 加权）3D梯度回波序列扫描（PD：翻转角10°，TE，3.7ms; TR, 15ms; T2 : 翻转角20°, TE, 18ms;TR, 30ms; 矩阵 512×340×340；体素大小0.19mm；每次对比重复10次，总时长12小时）。 2.皮层重建：小脑皮层由csurf工具完成重构，该工具为FreeSurfer的升级版以应对超高空间维度数据的处理。T2 图像通过除以PD图像来标准化并利用AFNI的3dUniformize来进一步的去除尖锐变化，并通过亮度反转使得白质亮度高于灰质。之后在经过局域（7×7×7体素空间）各向异性滤波器处理后，图像被分割、手动调整分割结果、网格化以得到靠近浦肯野细胞层的初始皮层，该皮层上有大于460万个顶点，是一个FreeSurfer标准大脑皮层顶点个数的25倍。初始皮层被进一步分为灰质/白质表面。最后皮层被切分为不同部分以便于后续利用FreeSurfer的mris_flatten将其展平。 3.表面积测定：在去除小脑角以及对样本固定过程带来的体积缩减（每体素3%）进行校正后，再进行脑软膜表面的逐顶点表面积的测量。为了估计人类女性大脑软膜皮层面积，该研究利用32名女性被试的灰白质交界表面并乘以灰白交界到软膜表面转换系数（1.2）来计算平均表面积。 4.深部小脑核团：由于T2 /PD图像减少了其对比度，位于小脑深部的齿状回核团直接利用PD图像以及与小脑皮层相同的方法对其进行重建。 5.恒河猴皮层重建：利用类似的方法，基于T2 加权图像（0.15mm体素大小）进行。 四、研究结果 很早以前Sultan和Braitenberg在他们的里程碑式的文章中便提出基于立体空间的选定薄层测量得到的图表示意型小脑皮层重建。第一个基于皮层表面的计算手段得到活体人类小脑MRI重构是基于1mm体素大小，1.5T磁场强度的图像得到。然而，介于一个薄层仅有几个毫米长，且薄层之间互相紧密堆叠，局部体积效应使得很难分辨出这些薄层。最近，7T扫描技术的发展可以使得图像有更小的体素，但依旧只能分辨出小脑的小叶，薄层水平的分割仍难以实现。 为了提供一个完整的、量化的、高分辨率的薄层水平人类全小脑皮层重建，该研究基于9.4T场强，0.19mm体素大小的图像来实现。其中共有两种类型的图像，一是段回波时间的质子加权图像PD，以及长回波时间的纵向弛豫时间加权的图像T2 。该研究将两幅图像结合以消除线圈磁场的非匀效应。 小脑有两种等级的折叠：大尺度上的小脑小叶以及更小尺度上的薄层。这两种等级上的折叠可以在FreeSurfer的结果中辨认出来。在皮层重建过程中，FreeSurfer主要计算两种类型的顶点上的特性：（1）局部表面的凸面性或凹面性，这些特性是通过计算相邻顶点间的相对位置，并将每个薄层的凸出部分标记为绿色，凹陷部分标记为红色，即曲率，反应薄层水平的形态学特性；（2）平均凸率，由局部范围内每个体素在保留几何特性前提下膨胀过程中移动的垂直距离加和平均得到，该过程会将小叶的凸起部分标记为绿色，凹陷部分标记为红色，即沟回信息，反应小叶水平上特性。 为了判定能够将小脑薄层水平特性区分的最大体素大小，原始图像被降采样到不同的分辨率并重建皮层，之后与0.19mm原始体素的结果加以对比。当降采样到0.21mm时，只有约1%的皮层表面积损失，而到0.28mm后则有14%的损失，当到0.5mm时已经有多达50%的损失。这表明，若想将小脑皮层的薄层结构完整的重建出来，至少需要该研究中所用到的体素密度（约150个/mm³），重建后的皮层表面大约有500万个顶点，约是普通FreeSurfer大脑皮层顶点的25倍。 为了更好地对比，输入的切片图像以及折叠的原始皮层、膨胀后的皮层以及展平后的皮层都使用同样的比例尺展示与图2中。所有步骤都展示两次，分别显示曲率信息以及沟回信息。绿色分别代表沟回或者薄层的顶部。Movie 1展示了原始皮层的膨胀过程。 重建后的小脑软膜表面（图3）在进行固定导致的缩减校正后，测得的表面积为1590cm²。相较于该数值，之前研究得到的表面积要小得多。Sultan和Braitenberg的研究中估计的表面积为1128cm²。之前的活体MRI研究中，因为分辨率不足的原因，无法将小脑皮层的薄层完整的重建出来，故使得测得的表面积要远远小于该数值，其中Van Essen测得的为540cm²，小脑高分辨率图谱（CHROMA）的为390cm²，Diedrichsen和Zotow测得的灰白质交界面面积为125cm²。 为了对比，人类女性左右半球软膜的表面积之和约为2038cm²。这也就意味着小脑软膜的表面积与整个大脑新皮层的表面积相当，但小脑的体积只有大脑的八分之一。 大多数小脑结构研究多采用图表式膨胀或展平，没有统一、一致的较少局部表面形变影响。事实表明，利用新皮层中使用的保留几何信息的方法，很难去膨胀小脑以及进一步展平。这一切是因为小脑相较于新皮层，有更高的的高斯（内部）曲率。首先，看似互相矛盾的是，小脑的一些薄层表现为圆柱状（更多的外向曲率），看似可以用传统的方法对其进行膨胀以及展平。但是，薄层在小脑中间的小脑蚓明显的分裂为多个小薄层，并延伸至对侧半球。在小脑侧面边缘，这些薄层又被发现融合到一起（图2，表示薄层部分）。在皮层的膨胀过程中，这些复杂的几何结构在中线以及外侧边缘变成“小球”状结构（图2，Ventral View）。就像球面一样，这些小叶“小球”如若不再引入严重形变的话，将无法在进一步膨胀或者展平。 所以为了展平小脑皮层且不造成额外的严重局部形变，每个中线外侧小球处被分割开。小脑皮层被分为四大部分以及三小部分分别进行展平。前部小脑被分为两个大块，分别为第一小叶到第五小叶，第五小叶到第六小叶。从顶后部裂处前部到crus I 部分，瞎闹被分为左右两部分（包括crus I，水平裂，crus II, VIIB, VIIIA,VIIIB 以及小脑次裂）。这些大块的中线前侧边缘从两个旁中央结构开始，这两个地方的白质裸漏在外面。最后，两个旁绒球以及第九小叶分别膨胀和展平。 在进行分割分别展平后，小脑皮层各部分在引入最小局部形变的情况下被完全展平。展开后的小脑皮层在前后轴向上的内容得到了极大的延伸，大约有1米长但却只有10厘米宽。第七小叶与第八小叶的面积之和大约是第一到第六小叶面积之和的2倍。与之相比，之前的研究，由于对薄层结构的探测不够完整，这两个区域的面积与其他小叶无明显差异。 对小叶和薄层的几何信息作更加细致的观察后发现了更多意想不到的特性。当一个小叶（膨胀视图）的凸起部分在延伸到中线时回渐渐下降并变为对侧半球的脑裂（图4，蓝绿色大箭头）。 除此之外，尽管薄层的轴向与小叶的轴向有时时大致平行的，但仍有很多区域两者之间的夹角可以大于45°。一些小叶从一个脑裂深处延伸至对侧时会变为对侧半球的小叶冠（图4，粗虚线）。 该研究也对小脑的主要核团-齿状回，进行了皮层重建。在膨胀之前，这些核团的外形就像皮塔饼口袋一般，展平中将其从中间分开为两部分（图2底部）。左右齿状回的面积之和为18.6cm²，这些面积并不不包括更小的小脑顶核。这个结果也表明，小脑皮层与核团的表面积比率要大于80比1。 为了探究灵长类动物的新皮层以及小脑皮层在进化过程中是如何变化的，该研究利用类似方法对一恒河猴的小脑以及新皮层进行了重建、膨胀以及展平（Movie 2）。重建以及膨胀后的猴子皮层有大约45个顶点（图2左下角以相同比例尺显示）。猴子的小脑皮层表面积为90cm²，该结果在某种程度上也是大于之前的研究的（Sultan和Braitenberg，81cm²；Van Essen, 61 cm²）。相比直下，猴子的新皮层表面积有269cm²，小脑的表面积只相当于新皮层的33%，远远低于人类中的78%。该现象也表明人类小脑中的折叠褶皱现象增加的剧烈程度。 五、讨论 通过对小脑皮层进行薄层水平上的重建，该研究发现小脑表面积要远远大于之前研究中的结果，大约相当于新皮层表面积的78%。利用同样的方法在恒河猴中得到的结果要远远低于人类，猴子的小脑皮层大约只有新皮层表面积的1/3。这个比例的显著上升可能与人小脑中与顶叶以及前额叶更加广泛的连接有关，也表明小脑可能在一些人类特有的行为（语言、高级工具的使用以及复杂社交行为等）的起源中发挥着与新皮层一样重要的作用。 该研究中的高分辨率皮层提供了薄层水平的小脑图谱。该图谱提供了一个精准的空间模型用于表层电信号以及磁信号的估计。且可以作为小脑皮层重建的一个金标准。通过结合灰质髓鞘化量化成像以及灰质扩散特性成像，在未来或许可以将带状矢向结构的所有信息得到。最后，超高场强扫描技术为实现小脑功能网格的定位提供了可行的方向，或许在未来的研究中可以发现“认知小脑”。小脑许多空间上相隔的区块在计算时被整合起来，这种独有的像棋盘一样散步的分布式计算模式或许可以帮助小脑进行更为高级的例如抽象推理等过程那般的复杂计算。并非只是将躯体感觉信号集合起来并控制高级躯体运动，小脑可能还参与了虚构的“概念运动”，在意识中规划、调整下一步的运动计划的过程。
比常人多15％。
爱因斯坦出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人）。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。
1905年，爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位，并提出光子假设、成功解释了光电效应（因此获得1921年诺贝尔物理学奖）；同年创立狭义相对论，1915年创立广义相对论，1933年移居美国、在普林斯顿高等研究院任职，1940年加入美国国籍同时保留瑞士国籍。
1955年4月18日，爱因斯坦于美国新泽西州普林斯顿逝世，享年76岁。
柏林岁月
1914年4月，爱因斯坦接受德国科学界的邀请，迁居到柏林。8月，即爆发了第一次世界大战。他虽身居战争的发源地。
生活在战争鼓吹者的包围之中，却坚决地表明了自己的反战态度。9月，爱因斯坦参与发起反战团体“新祖国同盟”，在这个组织被宣布为非法、成员大批遭受逮捕和迫害而转入地下的情况下，爱因斯坦仍坚决参加这个组织的秘密活动。
10月，德国的科学界和文化界在军国主义分子的操纵和煽动下，发表了“文明世界的宣言”，为德国发动的侵略战争辩护，鼓吹德国高于一切，全世界都应该接受“真正德国精神”。
在“宣言”上签名的有九十三人，都是当时德国有声望的科学家、艺术家和牧师等。就连能斯脱、伦琴、奥斯特瓦尔德、普朗克等都在上面签了字。当征求爱因斯坦签名时，他断然拒绝了，而同时他却毅然在反战的《告欧洲人书》上签上自己的名字。
人工智能是否超越人类大脑的论文详情可以具体和我说说.
课题名称：电脑和人脑的区别探究组长：田毅毅组员：孙树仁、牛宇翔、李银迪、肖艳舒分工：孙树仁、牛宇翔 查找资料李银迪、肖艳舒 咨询相关人员田毅毅 整理资料指导教师：宋义刚 课程教师：韩才师前言：这次研究的目的身为新世纪的人，有的竟然连人脑和电脑的区别都不知道。这次研究的主要是让所有的人知道和电脑的区别。通过这次研究使每个人了解人脑和电脑的区别，这次活动主要从人脑和电脑的发展史、结构、外型等几个方面展开研究。让新世纪的每个人都了解人脑和电脑，让每个人拓展自己的视野，丰富自己的生活，充实自我，完善自我。活动过程：首先，我们来了解一下人脑的发展史和结构。远古时期，人类的脑容量非常小。随着时间的推移，人类需要记忆的东西越来越多，人类的闹用量已经不能够满足了，人类发明了“结绳”等记忆方法。直到近人类的出现，人类的脑容量逐渐增大，在时间的催促下，近代人类的脑容量已经定型——与现代人的脑容量差不多。人脑的结构主要分为大脑、小脑和脑干三部分。其次，我们来了解一下电脑的发展史和结构。21世纪人类最伟大的发明之一——电脑诞生了。起初的电脑非常大——有几间屋那么大，需要十几个人一起操控。随着科技的发展，电脑所占空间越来越小，功能越来越多。直到今天最为先进的掌上电脑也已经早已经被设计出来了。电脑的机构主要是由输入设备、输出设备等组成。电脑的最重要部分是荧屏中的那个“部件”——集成电路。然后，我们了解一下人脑和电脑的外型。人脑的外型就像去了壳的核桃仁一样，分为左右两部分。人的左脑和右脑是成轴对称的，大脑占大部分空间，其次是小脑，脑干占的空间最少，而且在最后边，但它们的作用都非常重要。电脑分为台式电脑、笔记本、掌上电脑等，它们的外型更是五花八门的。首先，台式电脑的主机像个长方体，荧屏像一台电视机，键盘就像一个较薄的长方体。笔记本和台式电脑大体相同，只不过笔记本无主机。掌上电脑的外形和手机十分相似。掌上电脑的荧屏可以用手触摸，掌上电脑可以随声携带，这是他最大的优点。最后，我们来了解一下人脑和电脑其余明显的不同。人脑是人类各种生理活动，生命运动的控制中心；人脑周围神经系统，运输系统等；人脑内含有许多中枢系统，如语言中枢系统，运动中枢系统等。电脑是人类智慧的结晶；电脑需要靠电来运行；电脑内含有许多系统；多种设备，电脑的储存能力强。电脑即可以帮助人类完成工作，也可以帮助人类缓解压力。电脑是把双刃剑，我们既不要过于沉迷于网络，也不要不上网。总之，要谨慎对待网络。感想：通过这次活动是我们了解了人脑和电脑的区别——人脑和电脑的发展史、结构、外型的区别。这次活动让我更加准群的了解了人脑和电脑，同时拓展了我的视野，丰富了我的生活，激发了我的好奇心，是我对生活更加充满了期待，是我自己更加充实、更加完善。以后我还会参加这样的活动，使我更加的“完美”。让我的失业更加宽广，生活更加丰富，思想更加丰富。总结收获：通过这次活动使我更加了解了人脑和电脑的区别,是我生活更加充实、更加完善、更加丰富，这次也拓展了我的视野，激发了我的好奇心。同时在这次活动中，我发现我们组组员非常团结，非常有默契，自觉遵守纪律，这次活动也是我们与老师的沟通增多了，是我们的师生关系更加融洽！这次活动让我懂得了什么叫做“友情”，什么叫做“师生情”。这次活动让我懂得了什么叫做“团结”，什么叫做“默契”。在这次活动中我们大家一起认真的研究，调查，这使我深深感动。这次活动让我更加清楚的明白了人脑和电脑，这次活动让我对未来的生活更加充满了期待，让我更加充满了信心去迎接未来，挑战未来，让我对于未来的“电脑”更加充满了想象。这次活动之后，我明白了做什么事都需要别人的帮助，都需要与别人交流，正所谓“兄弟齐心，其力断金。”总之，我要好好学习，将来去制造，体积更小，功能更多的电脑。我相信我在“朋友、同学、老师”的帮助下，一定会成功的！组员感想：通过这次活动，我体会与认识到了人脑的区别，觉得人类世界是如此的奇妙，人类生活是如此的丰富与精彩，以前曾经对此问题也曾对此问题感兴趣一直想找时间去研究、取法向里面的一些奥秘，但没有时间和足够的帮手，自从有了研究性学习，能跟自己喜欢的小组成员与老师还有足够的资料将这次活动顺利的完成了，也起到了相应的结果，弥足了课外知识，增加了自己的视野是一次比较有意义的活动，同时也发扬了团体精神，小组成员互帮互助，十分团结，增添了团队友谊，同学、老师之间的感情进一步加深了。团队精神增强，这是一次很有价值意义的活动。希望学校的领导和老师能够多开展一些这样有意义的活动，不但能放松学习的压力，又能开拓自己的视野，更能考验我们学生自身的能力，还有团队精神。
人类大脑与电脑英国科学家艾伦·图灵1937年发表著名的《论应用于解决问题的可计算数字》一文。文中提出思考原理计算机——图灵机的概念，推进了计算机理论的发展。1945年图灵到英国国家物理研究所工作，并开始设计自动计算机。1950年，图灵发表题为《计算机能思考吗？》的论文，设计了著名的图灵测验，通过问答来测试计算机是否具有同人类相等的智力。 图灵提出了一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器、一条可无限伸延的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。这个在概念上如此简单的机器，理论上却可以计算任何直观可计算的函数。图灵机作为计算机的理论模型，在有关计算机和计算复杂性的研究方面得到广泛应用。 计算机是人类制造出来的信息加工工具。如果说人类制造的其他工具是人类双手的延伸，那么计算机作为代替人脑进行信息加工的工具，则可以说是人类大脑的延伸。最初真正制造出来的计算机是用来解决数值计算问题的。二次大战后期，当时为军事目的进行的一系列破译密码和弹道计算工作，越来越复杂。大量的数据、复杂的计算公式，即使使用电动机械计算器也要耗费相当的人力和时间。在这种背景下，人们开始研制电子计算机。 世界上第一台计算机“科洛萨斯”诞生于英国，“科洛萨斯”计算机是1943年3月开始研制的，当时研制“科洛萨斯”计算机的主要目的是破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。使用其他手段破译这种密码需要6至8个星期，而使用‘科洛萨斯’计算机则仅需6至8小时。1944年1月10日，“科洛萨斯”计算机开始运行。自它投入使用后，德军大量高级军事机密很快被破译，盟军如虎添翼。“科洛萨斯”比美国的ENIAC计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。 尽管第一台电子计算机诞生于英国，但英国没有抓住由计算机引发的技术和产业革命的机遇。相比之下，美国抓住了这一历史机遇，鼓励发展计算机技术和产业，从而崛起了一大批计算机产业巨头，大大促进了美国综合国力的发展。1944年美国国防部门组织了有莫奇利和埃克脱领导的ENIAC计算机的研究小组，当时在普林斯顿大学工作的现代计算机的奠基者美籍匈牙利数学家冯·诺依曼也参加了者像研究工作。1946年研究工作获得成功，制成了世界上第一台电子数字计算机ENIAC。这台用18000只电子管组成的计算机，尽管体积庞大，耗电量惊人，功能有限，但是确实起了节约人力节省时间的作用，而且开辟了一个计算机科学技术的新纪元。这也许连制造它的科学家们也是始料不及的。 最早的计算机尽管功能有限，和现代计算机有很大的差别，但是它已具备了现代计算机的基本部分，那就是运算器、控制器和存储器。 运算器就象算盘，用来进行数值运算和逻辑运算，并获得计算结果。而控制器就象机算机的司令部，指挥着计算机各个部分的工作，它的指挥是靠发出一系列控制信号完成的。 计算机的程序、数据、以及在运算中产生的中间结果以及最后结果都要有个存储的地方，这就是计算机的第三个部件——存储器。 计算机是自动进行计算的，自动计算的根据就是存储于计算机中的程序。现代的计算机都是存储程序计算机，又叫冯·诺依曼机，这是因为存储程序的概念是冯·诺依曼提出的。人们按照要解决的问题的数学描述，用计算机能接受的“语言”编制成程序，输入并存储于计算机，计算机就能按人的意图，自动地高速地完成运算并输出结果。程序要为计算机提供要运算的数据、运算的顺序、进行何种运算等等。 微电子技术的产生使计算机的发展又有了新的机遇，它使计算机小型化成为可能。微电子技术的发展可以追溯到晶体管的出现。1947年美国电报电话公司的贝尔实验室的三位学家巴丁、不赖顿和肖克莱制成第一支晶体管，开始了以晶体管代替电子管的时代。 晶体管的出现可以说是集成电路出台的序幕。晶体管出现后，一些科学家发现，把电路元器件和连线像制造晶体管那样做在一块硅片上可实现电路的小型化。于是，晶体管制造工业经过10年的发展后，1958年出现了第一块集成电路。 微电子技术的发展，集成电路的出现，首先引起了计算机技术的巨大变革。现代计算机多把运算器和控制器做在一起，叫微处理器，由于计算机的心脏——微处理器（计算机芯片）的集成化，使微型计算机应运尔生，并在70－80年代间得到迅速发展，特别是IBM PC个人计算机出现以后，打开了计算机普及的大门，促进了计算机在各行各业的应用，五六十年代，价格昂贵、体积庞大、耗电量惊人的计算机，只能在少数大型军事或科研设施中应用，今天由于采用了大规模集成电路，计算机已经进入普通的办公室和家庭。 标志集成电路水平的指标之一是集成度，即在一定尺寸的芯片上能做出多少个晶体管，从集成电路出现到今天，仅40余年，发展的速度却是惊人的，芯片越做越小，这对生产、生活的影响也是深远的。ENIAC计算机占地150平方米，重达30吨，耗电量几百瓦，其所完成的计算，今天高级一点的袖珍计算器皆可完成。这就是微电子技术和集成电路所创造的奇迹。 现状与前景 美国科学家最近指出，经过30多年的发展，计算机芯片的微型化已接近极限。计算机技术的进一步发展只能寄希望于全新的技术，如新材料、新的晶体管设计方法和分子层次的计算技术。 过去30多年来，半导体工业的发展基本上遵循穆尔法则，即安装在硅芯片上的晶体管数目每隔18个月就翻一番。芯片体积越来越小，包含的晶体管数目越来越多，蚀刻线宽越来越小；计算机的性能也因而越来越高，同时价格越来越低。但有人提出，这种发展趋势最多只能再持续10到15年的时间。 美国最大的芯片生产厂商英特尔公司的科学家保罗·A·帕坎最近在美国《科学》杂志上撰文说，穆尔法则（1965年提出的预测半导体能力将以几何速度增长的法则）也许在未来10年里就会遇到不可逾越的障碍：芯片的微型化已接近极限。人们尚未找到超越该极限的方法，一些科学家将其称之为“半导体产业面临的最大挑战”。 目前最先进的超大规模集成电路芯片制造技术所能达到的最小线宽约为0.18微米，即一根头发的5％那样宽。晶体管里的绝缘层只有4到5个原子那样厚。日本将于2000年初开始批量生产线宽只有0. 13微米的芯片。预计这种芯片将在未来两年得到广泛应用。下一步是推出线宽0. 1微米的的芯片。帕坎说，在这样小的尺寸上，晶体管只能由不到100个原子构成。 芯片线宽小到一定程度后，线路与线路之间就会因靠得太近而容易互相干扰。而如果通过线路的电流微弱到只有几十个甚至几个电子，信号的背景噪声将大到不可忍受。尺寸进一步缩小，量子效应就会起作用，使传统的计算机理论完全失效。在这种情况下，科学家必须使用全新的材料、设计方法乃至运算理论，使半导体业和计算机业突破传统理论的极限，另辟蹊径寻求出路。 当前计算机发展的主流是什么呢？国内外比较一致的看法是RISC RISC是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）的英文缩写。所谓指令系统计算机所能执行的操作命令的集合。程序最终要变成指令的序列，计算机能执行。计算机都有自己的指令系统，对于本机指令系统的指令，计算机能识别并执行，识别就是进行译码——把代表操作的二进制码变成操作所对应的控制信号，从而进行指令要求的操作。一般讲，计算机的指令系统约丰富，它的功能也约强。RISC系统将指令系统精简，使系统简单，目的在于减少指令的执行时间，提高计算机的处理速度。传统的计算机一般都是每次取一条指令，而RISC系统采用多发射结构，在同一时间发射多条指令，当然这必须增加芯片上的执行部件。并行处理技术 并行处理技术也是提高计算机处理速度的重要方向，传统的计算机，一般只有一个中央处理器，中央处理器中执行的也只是一个程序，程序的执行是一条接一条地顺序进行，通过处理器反映程序的数据也是一个接一个的一串，所以叫串行执行指令。并行处理技术可在同一时间内多个处理器中执行多个相关的或独立的程序。目前并行处理系统分两种：一种具有4个、8个甚至32个处理器集合在一起的并行处理系统，或称多处理机系统；另一种是将100个以上的处理器集合在一起，组成大规模处理系统。这两种系统不仅是处理器数量多少之分，其内部互连方式、存储器连接方式、操作系统支持以及应用领域都有很大的不同。 曾经有一段时间，超级计算机是利用与普通计算机不同的材料制造的。最早的克雷1号计算机是利用安装在镀铜的液冷式电路板上的奇形怪状的芯片、通过手工方式制造的。而克雷2号计算机看起来更加奇怪，它在一个盛有液态碳氟化合物的浴器中翻腾着气泡———采用的是“人造血液”冷却。并行计算技术改变了所有这一切。现在，世界上速度最快的计算机是美国的“Asci Red”， 这台计算机的运算速度为每秒钟2·1万亿次，它就是利用与个人计算机和工作站相同的元件制造的，只不过超级计算机采用的元件较多而已，内部配置了9000块标准奔腾芯片。鉴于目前的技术潮流，有一点是千真万确的，那就是超级计算机与其它计算机的差别正在开始模糊。 至少在近期，这一趋势很明显将会继续下去。那么，哪些即将到来的技术有可能会扰乱计算技术的格局，从而引发下一次超级计算技术革命呢？ 这样的技术至少有三种：光子计算机、生物计算机和量子计算机。它们能够成为现实的可能性都很小，但是由于它们具有引发革命的潜力，因此是值得进行研究的。光子计算机 光子计算机可能是这三种新技术中最接近传统的一种。几十年来，这种技术已经得到了有限的应用，尤其是在军用信号处理方面。 在光子计算技术中，光能够像电一样传送信息，甚至传送效果更好，，光束在把信息从一地传送至另一地的效果要优于电，这也就是电话公司利用光缆进行远距离通信的缘故。光对通信十分有用的原因，在于它不会与周围环境发生相互影响，这是它与电不同的一点。两束光线可以神不知鬼不觉地互相穿透。光在长距离内传输要比电子信号快约100倍，光器件的能耗非常低。预计，光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000到10000倍。 令人遗憾的是，正是这种极端的独立性使得人们难以制造出一种全光子计算机，因为计算处理需要利用相互之间的影响。要想制造真正的光子计算机，就必须开发出光学晶体管，这样就可以用一条光束来开关另一条光束了。这样的装置已经存在，但是要制造具有适合的性能特征的光学晶体管，还需要仰仗材料科学领域的重大突破。生物计算机 与光子计算技术相比，大规模生物计算技术实现起来更为困难，不过其潜力也更大。不妨设想一种大小像柚子，能够进行实时图像处理、语音识别及逻辑推理的超级计算机。这样的计算机已经存在：它们就是人脑。自本世纪70年代以来，人们开始研究生物计算机（也叫分子计算机），随着生物技术的稳步发展，我们将开始了解并操纵制造大脑的基因学机制。 生物计算机将具有比电子计算机和光学计算机更优异的性能。如果技术进步继续保持目前的速度，可以想像在一二十年之后，超级计算机将大量涌现。这听起来也许像科幻小说，但是实际上已经出现了这方面的实验。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的“生物芯片”已被生产出来。 在另外一些实验室里，研究人员已经利用有关的数据对DNA的单链进行了编码，从而使这些单链能够在烧瓶中实施运算。这些生物计算实验离实用还很遥远，然而1958年时我们对集成电路的看法也不过如此。量子计算机 量子力学是第三种有潜力创造超级计算革命的技术。这一概念比光子计算或生物计算的概念出现得晚，但是却具有更大的革命潜力。由于量子计算机利用了量子力学违反直觉的法则，它们的潜在运算速度将大大快于电子计算机。事实上，它们速度的提高差不多是没有止境的。一台具有5000个左右量子位的量子计算机可以在大约3 0秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。 眼下恰好有一项重要的用途适合这种貌似深奥的作业。通过对代表数据的代码进行加密，计算机数据得到保护。而解密的数学“钥匙”是以十分巨大的数字——一般长达250位——及其素数因子的形式出现的。这样的加密被认为是无法破译的，因为没有一台传统计算机能够在适当的时间里计算出如此巨大数字的素数因子。但是，至少在理论上，量子计算机可以轻易地处理这些素数加密方案。因此，量子计算机黑客将不仅能够轻而易举地获得常常出没于各种计算机网络（包括因特网）中的信用卡号码及其他个人信息，而且能够轻易获取政府及军方机密。这也正是某些奉行“宁为人先、莫落人后”这一原则的政府机构一直在投入巨资进行量子计算机研究的原因。量子超级网络引擎 量子计算机将不大可能破坏因特网的完整性，不仅如此，它们到头来还可能给因特网带来巨大的好处。两年前，贝尔实验室的研究人员洛夫·格罗弗发现了用量子计算机处理我们许多人的一种日常事务的方法———搜寻隐藏在浩如烟海的庞大数据库内的某项信息。寻找数据库中的信息就像是在公文包里找东西一样。如果各不相同的量子位状态组合分别检索数据库不同的部分，那么其中的一种状态组合将会遭遇到所需查找的信息。 由于某些技术的限制，量子搜索所能带来的速度提高并没有预计的那么大，例如，如果要在1亿个地址中搜索某个地址，传统计算机需要进行大约5000万次尝试才能找到该地址；而量子计算机则需大约1万次尝试，不过这已经是很大的改善了，如果数据库增大的话，改善将会更大。此外，数据库搜索是一种十分基础的计算机任务，任何的改善都很可能对大批的应用产生影响。 迄今为止，很少有研究人员愿意预言量子计算机是否将会得到更为广泛的应用。尽管如此，总的趋势一直是喜人的。尽管许多物理学家————如果不是全部的话———一开始曾认为量子力学扑朔迷离的本性必定会消除实用量子计算技术面临的难以捉摸而又根深蒂固的障碍，但已经进行的深刻而广泛的理论研究却尚未能造就一台实实在在的机器。 那么，量子计算机的研究热潮到底意味着什么？计算技术的历史表明，总是先有硬件和软件的突破，然后才出现需要由它们解决的问题。或许，到我们需要检索那些用普通计算机耗时数月才能查完的庞大数据库时，量子计算机才将会真正开始投入运行。研究将能取代电子计算机的技术并非易事。毕竟，采用标准微处理器技术的并行计算机每隔几年都会有长足的进步。因此，任何要想取代它的技术必须极其出色。不过，计算技术领域的进步始终是十分迅速的，并且充满了意想不到的事情。对未来的预测从来都是靠不住的，事后看来，那些断言“此事不可行”的说法，才是最最愚蠢的。 除了超级计算机外，未来计算机还会在哪些方面进行发展呢？多媒体技术 多媒体技术是进一步拓宽计算机应用领域的新兴技术。它是把文字、数据、图形、图像和声音等信息媒体作为一个集成体有计算机来处理，把计算机带入了一个声、文、图集成的应用领域。多媒体必须要有显示器、键盘、鼠标、操纵杆、视频录象带／盘、摄象机、输入／输出、电讯传送等多种外部设备。多媒体系统把计算机、家用电器、通信设备组成一个整体由计算机统一控制和管理。多媒体系统将对人类社会产生巨大的影响。网络 当前的计算机系统多是连成网络的计算机系统。所谓网络，是指在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互连构成的系统。根据联网区域的大小，计算机网络可分成居域网和远程网。小至一个工厂的各个车间和办公室，大到跨洲隔洋都可构成计算机网。因特网将发展成为人类社会中一股看不见的强大力量－－它悄无声息地向人们传递各种信息，以最快、最先进的手段方便人类的工作和生活。现在的因特网发展有将世界变成“地球村”的趋势。 专家认为PC机不会马上消失，而同时单功能或有限功能的终端设备（如手执电脑、智能电话）将挑战PC机作为计算机革新动力的地位。把因特网的接入和电子邮件的功能与有限的计算功能结合起来的“置顶式”计算机如网络电视将会很快流行开来。单功能的终端最终会变得更易应用智能化计算机 我们对大脑的认识还很肤浅，但是使计算机智能化的工作绝不能等到人们对大脑有足够认识以后才开始。使计算机更聪明，从开始就是人们不断追求的目标。目前用计算机进行的辅助设计、翻译、检索、绘图、写作、下棋、机械作业等方面的发展，已经向计算机的智能化迈进了一步。随着计算机性能的不断提高，人工智能技术在徘徊了50年之后终于找到了露脸的机会，世界头号国际象棋大师卡斯帕罗夫向“深蓝”的俯首称臣，让人脑第一次尝到了在电脑面前失败的滋味。人类从来没有像今天这样深感忧惧，也从来没有像今天这样强烈地感受到认识自身的需要。 目前的计算机，多数是冯·诺依曼型计算机，它在认字、识图、听话及形象思维方面的功能特别差。为了使计算机更加人工智能化，科学家开始使计算机模拟人类大脑的功能，近年来，各先进国家注意开展人工神经网络的研究，向计算机的智能化迈出了重要的一步。 人工神经网络的特点和优越性，主要表现在三个方面：具有自学功能。六如实现图象识别时，只要线把许多不同的图象样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过自学功能，漫漫学会识别类似的图像。自学功能对于预测有特别重要的意义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供同经济预测、市场预测、效益预测、其前途是很远大的。 具有联想储存功能。人的大脑是具有两厢功能的。如果有人和你提起你幼年的同学张某某。，你就会联想起张某某的许多事情。用人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。 具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解，往往需要很大的计算量，利用一个针对某问题而设计的反馈人工神经网络，发挥计算机的高速运算能力，可能很快找到优化解。 人工神经网络是未来为电子技术应用的新流域。智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼机与作为智能外围的人工神经网络的结合。 人们普遍认为智能计算机将像穆尔定律（1965年提出的预测半导体能力将以几何速度增长的定律）的应验那样必然出现。提出这一定律的英特尔公司名誉董事长戈登·穆尔本人也同意这一看法，他认为：“硅智能将发展到很难将计算机和人区分开来的程度。”但是计算机智能不会到此为止。许多科学家断言，机器的智慧会迅速超过阿尔伯特·爱因斯坦和霍金的智慧之和。霍金认为，就像人类可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样，智能机器将创造出性能更好的计算机。最迟到下个世纪中叶（而且很可能还要快得多），计算机的智能也许就会超出人类的理解能力。什么是计算机语言计算机语言的种类非常的多，总的来说可以分成机器语言，汇编语言，高级语言三大类。 电脑每做的一次动作，一个步骤，都是按照以经用计算机语言编好的程序来执行的，程序是计算机要执行的指令的集合，而程序全部都是用我们所掌握的语言来编写的。所以人们要控制计算机一定要通过计算机语言向计算机发出命令。 计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0和1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。 目前通用的编程语言有两种形式：汇编语言和高级语言。 汇编语言的实质和机器语言是相同的，都是直接对硬件操作，只不过指令采用了英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。它同样需要编程者将每一步具体的操作用命令的形式写出来。汇编程序通常由三部分组成：指令、伪指令和宏指令。汇编程序的每一句指令只能对应实际操作过程中的一个很细微的动作，例如移动、自增，因此汇编源程序一般比较冗长、复杂、容易出错，而且使用汇编语言编程需要有更多的计算机专业知识，但汇编语言的优点也是显而易见的，用汇编语言所能完成的操作不是一般高级语言所能实现的，而且源程序经汇编生成的可执行文件不仅比较小，而且执行速度很快。 高级语言是目前绝大多数编程者的选择。和汇编语言相比，它不但将许多相关的机器指令合成为单条指令，并且去掉了与具体操作有关但与完成工作无关的细节，例如使用堆栈、寄存器等，这样就大大简化了程序中的指令。同时，由于省略了很多细节，编程者也就不需要有太多的专业知识。 高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB、VC、FoxPro、Delphi等，这些语言的语法、命令格式都各不相同。 高级语言所编制的程序不能直接被计算机识别，必须经过转换才能被执行，按转换方式可将它们分为两类: 解释类：执行方式类似于我们日常生活中的“同声翻译”，应用程序源代码一边由相应语言的解释器“翻译”成目标代码(机器语言)，一边执行，因此效率比较低，而且不能生成可独立执行的可执行文件，应用程序不能脱离其解释器，但这种方式比较灵活，可以动态地调整、修改应用程序。 编译类：编译是指在应用源程序执行之前，就将程序源代码“翻译”成目标代码(机器语言)，因此其目标程序可以脱离其语言环境独立执行，使用比较方便、效率较高。但应用程序一旦需要修改，必须先修改源代码，再重新编译生成新的目标文件(＊ .OBJ)才能执行，只有目标文件而没有源代码，修改很不方便。现在大多数的编程语言都是编译型的，例如Visual C＋＋、Visual Foxpro、Delphi等。
从简单地剪切致病基因，到开发出不再传播疾病的工程动物，基因编辑技术已经释放出巨大的潜力。随着研究的深入，科学界还发现，除了编辑具有遗传讯息的DNA片段，编辑RNA可以在不改变基因组的情况下，帮助调整基因表达方式，此外，RNA的寿命是相对短暂的，这也意味着它的变化是可以逆转的，从而避免基因工程中的巨大风险。
2017年10月，来自Broad研究所的张锋研究团队在《自然》期刊上发表了题为“RNA targeting with CRISPR-Cas13”的文章，首次将CRISPR-Cas13系统公之于众，证实了CRISPR-Cas13可以靶向哺乳动物细胞中的RNA。仅仅时隔三周，又一篇名为“RNA editing with CRISPR-Cas13”的力作发表于《科学》期刊。在该研究中，张锋研究团队再次展示了这一RNA编辑系统，能有效地对RNA中的腺嘌呤进行编辑。
在CRISPR出现之前，RNAi是调节基因表达的理想方法。但是Cas13a酶一大优势在于更强的特异性，而且这种本身来自细菌的系统对哺乳动物细胞来说，并不是内源性的，因此不太可能干扰细胞中天然的转录。相反，RNAi利用内源性机制进行基因敲除，对本身的影响较大。但CRISPR-Cas13系统还有一个重要的问题，Cas13a酶本质上是一种相对较大的蛋白质，因此很难被包装到靶组织中，这也可能成为RNA编辑技术临床应用的一大障碍。
2018年3月16日，一项发表在《细胞》期刊的重磅成果为RNA编辑技术带来一大步飞跃，来自美国Salk研究所的科学家利用全新的CRISPR家族酶扩展了RNA编辑能力，并将这个新系统命名为“CasRx”。
CasRx（品红色）在人类细胞核中靶向RNA（灰色），Salk研究所
“生物工程师就像自然界的侦探一样，在DNA模式中寻找线索来帮助解决遗传疾病。CRISPR彻底改变了基因工程，我们希望将编辑工具从DNA扩展到RNA。”研究领导者Patrick Hsu博士表示，“RNA信息是许多生物过程的关键介质。在许多疾病中，这些RNA信息失去了平衡，因此直接靶向RNA的技术将成为DNA编辑的重要补充。”
除了高效性且无明显脱靶效应，新系统的一个关键特征是其依赖于一种比以前研究中物理尺寸更小的酶。 这对RNA编辑技术至关重要，这使得该编辑工具能够更容易被包装到病毒载体，并进入细胞进行RNA编辑。来自东京大学的科学家Hiroshi Nishimasu并未参与这项研究，他表示：“在这项研究中，研究人员发现了一种较Cas13d更加‘紧凑’的酶CasRx。从基础研究到治疗应用，我认为CasRx将成为非常有用的工具。”
此外，在这项研究中，研究人员还展示了利用这种新型RNA编辑系统来纠正RNA过程的能力。他们将CasRx包装到病毒载体中，并将其递送到利用额颞叶痴呆（FTD）患者干细胞中培养的神经细胞，最终使tau蛋白水平恢复到健康水平上，有效率达到80%。
Patrick Hsu博士最后说道：“基因编辑技术通过对DNA的切割带来基因序列的改变。在经过基因编辑的细胞中，其效果是永久的。虽然基因编辑技术能够很好地将基因完全关闭，但对调节基因的表达上并不那么优秀。展望未来，这一最新工具将在RNA生物学研究中发挥重要作用，并有望在未来凭借该技术对RNA相关疾病进行治疗。”
该研究探索了Cas13d家族蛋白CasRx敲低目的基因的最佳sgRNA组合，通过尾静脉注射质粒的方式，将CasRx系统和靶向Pten基因的sgRNA导入到小鼠肝脏细胞中，成功在小鼠肝脏中实现了Pten的高效沉默。
3月18日，《蛋白质与细胞》期刊在线发表了《Cas13d介导的肝脏基因表达下调对代谢功能的调控》的研究论文，该研究由中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杨辉研究组和上海科技大学生命科学与技术学院黄鹏羽研究组合作完成。该研究探索了Cas13d家族蛋白CasRx敲低目的基因的最佳sgRNA组合，通过尾静脉注射质粒的方式，将CasRx系统和靶向Pten基因的sgRNA导入到小鼠肝脏细胞中，成功在小鼠肝脏中实现了Pten的高效沉默，证实了CasRx系统在成体动物体内也具有靶向沉默RNA的活性，通过增强下游蛋白AKT的磷酸化，影响了糖脂代谢相关基因的表达。同时，利用AAV递送CasRx和靶向Pscsk9的sgRNA到小鼠肝脏，有效降低了肝脏中PCSK9的蛋白表达，以及小鼠血液中的胆固醇水平。这为治疗后天性的代谢疾病提供了新方案。
同时，杨辉研究组与上海交通大学医学院附属上海第一人民医院孙晓东研究组合作，也探究了CasRx预防严重的眼部疾病——年龄相关性黄斑变性（AMD）的可能性，研究人员发现在体内使用CasRx敲低Vegfa的mRNA可以显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成（CNV）的面积，验证了将RNA靶向的CRISPR系统用于治疗应用的潜力。相关研究论文《CasRx介导的RNA靶向策略可防止年龄相关的黄斑变性的小鼠模型中的脉络膜新生血管形成》3月3日在《国家科学评论》在线发表。
近年来，CRISPR/Cas9技术因其强大且便捷的DNA编辑能力而受到广泛关注。2016年，张锋实验室发现了一种新的Cas蛋白Cas13a，可以靶向RNA进行切割。之后人们又陆续发现了靶向RNA的Cas13b, Cas13c。由于Cas13家族蛋白靶向RNA的特点，理论上在一些特定疾病的检测和治疗上具有独特优势，因而成为近年来的研究热点。2018年，加州大学伯克利分校Patrick Hsu实验室发现了Cas13d家族。他们发现与RNA干扰技术相比，Cas13d介导的基因沉默具有更高的特异性（与数百个shRNA脱靶相比，Cas13d没有脱靶）和敲除效率（Cas13d达到96％，shRNA达到65％）。而与Cas9介导的基因敲除技术相比，Cas13d介导的基因沉默不会改变基因组DNA，因此这种基因沉默是可逆的，从而对一些后天性疾病（如因不良生活习惯导致的高血脂等后天代谢性疾病）的治疗更有优势。其中Cas13d家族的CasRx蛋白由于体积小，效率高，被认为是在未来应用中最具有优势的Cas13蛋白。
此前的工作都在细胞水平证明了CasRx的高效性和特异性，杨辉研究组的这两篇文章则更进一步在动物体内证明了CasRx的活性，为临床提供了可能性。为证明CasRx在动物体内的活性，研究人员分别针对目的基因进行了sgRNA的体外筛选，然后采用尾静脉注射敲低Pten的质粒、尾静脉注射敲低Pcsk9的AAV8病毒、眼部注射敲低Vegfa的AAV病毒。对注射后的小鼠进行相应分析，分别得到Pten基因下调及其下游蛋白AKT的磷酸化上调，Pcsk9下调造成血清胆固醇下调；Vegfa下调显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成（CNV）的面积。
2020年3月18日，《蛋白质与细胞》期刊在线发表了《Cas13d介导的肝脏基因表达下调对代谢功能的调控》的研究论文，该研究由中科院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室杨辉研究组和上海科技大学生命科学与技术学院黄鹏羽研究组合作完成。该研究探索了Cas13d家族蛋白CasRx敲低目的基因的最佳sgRNA组合，通过尾静脉注射质粒的方式，将CasRx系统和靶向 Pten 基因的sgRNA导入到小鼠肝脏细胞中，成功在小鼠肝脏中实现了 Pten 的高效沉默， 证实了CasRx系统在成体动物体内也具有靶向沉默RNA的活性， 通过增强下游蛋白AKT的磷酸化，影响了糖脂代谢相关基因的表达。同时，利用AAV递送CasRx和靶向 Pscsk9 的sgRNA到小鼠肝脏， 有效降低了肝脏中PCSK9的蛋白表达，以及小鼠血液中的胆固醇水平 。这为治疗后天性的代谢疾病提供了新方案。
同时，杨辉研究组与上海交通大学医学院附属上海第一人民医院孙晓东研究组合作，也 探究了CasRx预防严重的眼部疾病——年龄相关性黄斑变性（AMD）的可能性，研究人员发现在体内使用CasRx敲低 Vegfa的mRNA可以显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成（CNV）的面积**，验证了将RNA靶向的CRISPR系统用于治疗应用的潜力。相关研究论文《CasRx介导的RNA靶向策略可防止年龄相关的黄斑变性的小鼠模型中的脉络膜新生血管形成》3月3日在《国家科学评论》在线发表。
近年来，CRISPR/Cas9技术因其强大且便捷的DNA编辑能力而受到广泛关注。2016年，张锋实验室发现了一种新的Cas蛋白Cas13a，可以靶向RNA进行切割。之后人们又陆续发现了靶向RNA的Cas13b, Cas13c。由于Cas13家族蛋白靶向RNA的特点，理论上在一些特定疾病的检测和治疗上具有独特优势，因而成为近年来的研究热点。2018年，加州大学伯克利分校Patrick Hsu实验室发现了Cas13d家族。他们发现与RNA干扰技术相比，Cas13d介导的基因沉默具有更高的特异性（与数百个shRNA脱靶相比， Cas13d没有脱靶）和敲除效率（Cas13d达到96％ ，shRNA达到65％）。而与Cas9介导的基因敲除技术相比， Cas13d介导的基因沉默不会改变基因组DNA，因此这种基因沉默是可逆的 ，从而对一些后天性疾病（如因不良生活习惯导致的高血脂等后天代谢性疾病）的治疗更有优势。其中Cas13d家族的CasRx蛋白由于体积小，效率高，被认为是在未来应用中最具有优势的Cas13蛋白。
此前的工作都在细胞水平证明了CasRx的高效性和特异性，杨辉研究组的这两篇文章则更进一步在动物体内证明了CasRx的活性，为临床提供了可能性 。为证明CasRx在动物体内的活性，研究人员分别针对目的基因进行了sgRNA的体外筛选，然后采用尾静脉注射敲低 Pten 的质粒、尾静脉注射敲低 Pcsk9 的AAV8病毒、眼部注射敲低 Vegfa 的AAV病毒。对注射后的小鼠进行相应分析，分别得到 Pten 基因下调及其下游蛋白AKT的磷酸化上调， Pcsk9 下调造成血清胆固醇下调； Vegfa 下调显著减少AMD小鼠模型中脉络膜新血管形成（CNV）的面积。
图1 CasRx介导的 Pten 体内体外的下调（ Protein & Cell ）
A.质粒示意图；B.N2a细胞中 Pten 的下调；C.Western检测PTEN及AKT的表达； D.CasRx与shRNA脱靶比较；E.尾静脉注射质粒示意图；F.G.H.免疫荧光，qPCR，western分别检测 Pten 及p-AKT的表达
图2 血清胆固醇的调节以及 Pcsk9 的可逆调控（ Protein & Cell ）
A.针对 Pcsk9 的AAV8病毒注射示意图；B.肝组织中 Pcsk9 的表达量；C.血清 PCSK9 的表达量；D.血清胆固醇水平；E.F.血清ALT和AST的测定；G.可逆调节注射示意图； H. Pcsk9 的动态调控。
图3 AAV介导CasRx减少了AMD小鼠模型中CNV的面积（National Science Review）
A.小鼠和人序列比较以及sgRNA示意图；B.C.在293T和N2a细胞中敲低 Vegfa ；D.VEGFA蛋白的表达；E.AAV病毒质粒示意图；F.实验流程图；G.CasRx的mRNA表达水平；H.I.激光烧伤之前或之后7天的 Vegfa mRNA水平；J.CNV诱导3天后的VEGFA蛋白水平；K.激光烧伤7天后，用PBS或AAV-CasRx- Vegfa 注射的代表性CNV图像；L.M.CNV面积统计。
2020 年 4 月 8 日， Cell 期刊在线发表了题为 《Glia-to-Neuron Conversion by CRISPR-CasRx Alleviates Symptoms of Neurological Disease in Mice》 的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心、神经科学国家重点实验室 杨辉 研究组完成。
该项研究通过运用最新开发的 RNA 靶向 CRISPR 系统 CasRx 特异性地在视网膜穆勒胶质细胞中敲低 Ptbp1 基因的表达，首次在成体中实现了视神经节细胞的再生，并且恢复了永久性视力损伤模型小鼠的视力。同时，该研究还证明了这项技术可以非常高效且特异地将纹状体内的星形胶质细胞转分化成多巴胺神经元，并且基本消除了帕金森疾病的症状。该研究将为未来众多神经退行性疾病的治疗提供一个新的途径。
人类的神经系统包含成百上千种不同类型的神经元细胞。在成熟的神经系统中，神经元一般不会再生，一旦死亡，就是永久性的。神经元的死亡会导致不同的神经退行性疾病，常见的有阿尔兹海默症和帕金森症。此类疾病的病因尚不明确且没有根治的方法，因此对人类的健康造成巨大威胁。据统计，目前全球大约有 1 亿多的人患有神经退行性疾病，而且随着老龄化的加剧，神经退行性疾病患者数量也将逐渐增多。
在常见的神经性疾病中，视神经节细胞死亡导致的永久性失明和多巴胺神经元死亡导致的帕金森疾病是尤为特殊的两类，它们都是由于特殊类型的神经元死亡导致。我们之所以能看到外界绚烂多彩的世界，是因为我们的眼睛和大脑中存在一套完整的视觉通路，而连接眼睛和大脑的神经元就是视神经节细胞。
作为眼睛和大脑的唯一一座桥梁，视神经节细胞对外界的不良刺激非常敏感。研究发现很多眼疾都可以导致视神经节细胞的死亡，急性的如缺血性视网膜病，慢性的如青光眼。视神经节细胞一旦死亡就会导致永久性失明。据统计，仅青光眼致盲的人数在全球就超过一千万人。
帕金森疾病是一种常见的老年神经退行性疾病。它的发生是由于脑内黑质区域中一种叫做多巴胺神经元的死亡，从而导致黑质多巴胺神经元不能通过黑质-纹状体通路将多巴胺运输到大脑的另一个区域纹状体。目前，全球有将近一千万人患有此病，我国尤为严重，占了大约一半的病人。 如何在成体中再生出以上两种特异类型的神经元，一直是全世界众多科学家努力的方向。
该研究中，研究人员首先在体外细胞系中筛选了高效抑制 Ptbp1 表达的 gRNA，设计了特异性标记穆勒胶质细胞和在穆勒胶质细胞中表达 CasRx 的系统。所有元件以双质粒系统的形式被包装在 AAV 中并且通过视网膜下注射，特异性地在成年小鼠的穆勒胶质细胞中下调 Ptbp1 基因的表达。
大约一个月后，研究人员在视网膜视神经节细胞层发现了由穆勒胶质细胞转分化而来的视神经节细胞，并且转分化而来的视神经节细胞可以像正常的细胞那样对光刺激产生相应的电信号。
研究人员进一步发现，转分化而来的视神经节细胞可以通过视神经和大脑中正确的脑区建立功能性的联系，并且将视觉信号传输到大脑。在视神经节细胞损伤的小鼠模型中，研究人员发现转分化的视神经细胞可以让永久性视力损伤的小鼠重新建立对光的敏感性。
为进一步发掘 Ptbp1 介导的胶质细胞向神经元转分化的治疗潜能，研究人员证明了该策略还能特异性地将纹状体中的星形胶质细胞非常高效的转分化为多巴胺神经元，并且证明了转分化而来的多巴胺神经元能够展现出和黑质中多巴胺神经元相似的特性。
在行为学测试中，研究人员发现这些转分化而来的多巴胺神经元可以弥补黑质中缺失的多巴胺神经元的功能，从而将帕金森模型小鼠的运动障碍逆转到接近正常小鼠的水平。
需要指出的是，虽然科学家们在实验室里取得了重要进展，但是要将研究成果真正应用于人类疾病的治疗，还有很多工作要做：人类的视神经节细胞能否再生？帕金森患者是否能通过该方法被治愈？这些问题有待全世界的科研工作者共同努力去寻找答案。
（上）CasRx 通过靶向的降解 Ptbp1 mRNA 从而实现 Ptbp1 基因表达的下调。
（中）视网膜下注射 AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1 可以特异性的将视网膜穆勒胶质细胞转分化为视神经节细胞，转分化而来视神经节细胞可以和正确的脑区建立功能性的联系，并且提高永久性视力损伤模型小鼠的视力。
（下）在纹状体中注射 AAV-GFAP-CasRx-Ptbp1 可以特异性的将星形胶质细胞转分化为多巴胺神经元，从而基本消除了帕金森疾病模型小鼠的运动症状。
RNA-editing Cas13 enzymes have taken the CRISPR world by storm. Like RNA interference, these enzymes can knock down RNA without altering the genome , but Cas13s have higher on-target specificity. New work from Konermann et al. and Yan et al. describes new Cas13d enzymes that average only 2.8 kb in size and are easy to package in low-capacity vectors! These small, but mighty type VI-D enzymes are the latest tools in the transcriptome engineering toolbox.
Microbial CRISPR diversity is impressive, and researchers are just beginning to tap the wealth of CRISPR possibilities. To identify Cas13d, both groups used very general bioinformatic screens that looked for a CRISPR repeat array near a putative effector nuclease. The Cas13d proteins they identified have little sequence similarity to previously identified Cas13a-c orthologs, but they do include HEPN nuclease domains characteristic of the Cas13 superfamily. Yan et al. proceeded to study orthologs from Eubacterium siraeum (EsCas13d) and Ruminococcus sp. (RspCas13d), while Konermann et al. characterized orthologs from “Anaerobic digester metagenome” (AdmCas13d) and Ruminococcus flavefaciens (nicknamed CasRx), as well as EsCas13d.
Like other Cas13 enzymes, the Cas13d orthologs described in these papers can independently process their own CRISPR arrays into guide RNAs. crRNA cleavage is retained in dCas13d and is thus HEPN-independent. These enzymes also do not require a protospacer flanking sequence, so you can target virtually any RNA sequence ! In bacteria, Cas13d-mediated cleavage promotes collateral cleavage of other RNAs. As with other Cas13s, this collateral cleavage does not occur when Cas13d is expressed in a mammalian system.
Since Cas13d is functionally similar to previously discovered Cas13 enzymes - what makes these orthologs so special? The first property is size - Cas13d enzymes have a median length of ~930aa - making them 17-26% smaller than other Cas13s and a whopping 33% smaller than Cas9! Their small size makes then easy to package in low-capacity vectors like AAV, a popular vector due to its low immunogenicity. But these studies also identified other advantages, including Cas13d-specific regulatory proteins and high targeting efficiency, both of which are described below.
The majority of Type VI-D loci contain accessory proteins with WYL domains (named for the three conserved amino acids in the domain). Yan et al. from Arbor Biotechnologies found that RspCas13d accessory protein RspWYL1 increases both targeted and collateral RNA degradation by RspCas13d. RspWYL1 also increased EsCas13d activity, indicating that WYL domain-containing proteins may be broader regulators of Cas13d activity. This property makes WYL proteins an intriguing counterpart to anti-CRISPR proteins that negatively modulate the activity of Cas enzymes, some of which are also functional in multiple species (read Arbor Biotechnologies' press release about their Cas13d deposit here ).
Not all Cas13d proteins are functional in mammalian cells, but Konermann et al. saw great results with CasRx and AdmCas13d fused to a nuclear localization signal (NLS). In a HEK293 mCherry reporter assay, CasRx and AdmCas13d produced 92% and 87% mCherry protein knockdown measured by flow cytometry, respectively. Cas13d CRISPR array processing is robust, with CasRx and either an unprocessed or processed gRNA array (22 nt spacer with 30 nt direct repeat) mediating potent knockdown. Multiplexing from the CRISPR array yielded >90% knockdown by CasRx for each of four targets, including two mRNAs and two nuclear long non-coding RNAs.
One interesting twist to Cas13d enzymes is their cleavage pattern: EsCas13d produced very similar cleavage products even when guides were tiled across a target RNA, indicating that this enzyme does not cleave at a predictable distance from the targeted region. Konermann et al. show that EsCas13d favors cleavage at uracils, but a more detailed exploration of this cleavage pattern is necessary.
Konermann et al. compared CasRx to multiple RNA regulating methods: small hairpin RNA interference, dCas9-mediated transcriptional inhibition (CRISPRi), and Cas13a/Cas13b RNA knockdown. CasRx was the clear winner with median knockdown of 96% compared to 65% for shRNA, 53% for CRISPRi, and 66-80% for other Cas13a and Cas13b effectors. Like previously characterized Cas13 enzymes, CasRx also displays very high on-target efficiency; where shRNA treatment produced 500-900 significant off-targets, CasRx displayed zero. Unlike Cas9, for which efficiency varies widely across guide RNAs, each guide tested with CasRx yielded >80% knockdown. It seems that CasRx may make it possible to target essentially any RNA in a cell.
Since catalytically dead dCasRx maintains its RNA-binding properties, Konermann et al. tested its ability to manipulate RNA species through exon skipping. Previous CRISPR exon-skipping approaches used two guide RNAs to remove a given exon from the genome, and showed success in models of muscular dystrophy . In this case, Konermann et al. targeted MAPT , the gene encoding dementia-associated tau, delivering dCasRx and a 3-spacer array targeting the MAPT exon 10 splice acceptor and two putative splice enhancers. After AAV-mediated delivery to iPS-derived cortical neurons, dCasRx-mediated exon skipping improved the ratio of pathogenic to non-pathogenic tau by nearly 50%, showing proof-of-concept for pre-clinical and clinical applications of dCasRx.
The identification of Type VI Cas13d enzymes is another win for bioinformatic data mining. As we continue to harness the natural diversity of CRISPR systems, only time will tell how large the genome and transcriptome engineering toolbox will be. It is, however, certain that the impact of CRISPR scientific sharing will continue to grow, and we at Addgene appreciate our depositors for making their tools available to the broader community.
References
Konermann, Silvana, et al. “Transcriptome Engineering with RNA-Targeting Type VI-D CRISPR Effectors.” Cell (2018) pii: S0092-8674(18)30207-1. PubMed PMID: 29551272
Yan, Winston X., et al. “Cas13d Is a Compact RNA-Targeting Type VI CRISPR Effector Positively Modulated by a WYL-Domain-Containing Accessory Protein.” Mol Cell. (2018) pii: S1097-2765(18)30173-4. PubMed PMID: 29551514
\1. Transcriptome Engineering with RNA-Targeting Type VI-D CRISPR Effectors
\2. CRISPR genetic editing takes another big step forward, targeting RNA
\3. How Editing RNA—Not DNA—Could Cure Disease in the Future
[ https://www.obiosh.com/kyfw/zl/aav/209.html](
脑机接口肯定是未来人类硅基智能化的重要一步。当文明发展到一定程度，物质属性的束缚会逐渐降低。 我觉得人体科技是未来的发展方向。人体的潜能是无限的。人体超能力不是伪科学。人体超能力即精神能量。精神是能量之源。
如果这次研究芯片成功的话，对于国产芯片是一个重大的进步，会改变很多国产的行业，对于国外的芯片制造有较大影响。
人类大脑与电脑英国科学家艾伦·图灵1937年发表著名的《论应用于解决问题的可计算数字》一文。文中提出思考原理计算机——图灵机的概念，推进了计算机理论的发展。1945年图灵到英国国家物理研究所工作，并开始设计自动计算机。1950年，图灵发表题为《计算机能思考吗？》的论文，设计了著名的图灵测验，通过问答来测试计算机是否具有同人类相等的智力。 图灵提出了一种抽象计算模型，用来精确定义可计算函数。图灵机由一个控制器、一条可无限伸延的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。这个在概念上如此简单的机器，理论上却可以计算任何直观可计算的函数。图灵机作为计算机的理论模型，在有关计算机和计算复杂性的研究方面得到广泛应用。 计算机是人类制造出来的信息加工工具。如果说人类制造的其他工具是人类双手的延伸，那么计算机作为代替人脑进行信息加工的工具，则可以说是人类大脑的延伸。最初真正制造出来的计算机是用来解决数值计算问题的。二次大战后期，当时为军事目的进行的一系列破译密码和弹道计算工作，越来越复杂。大量的数据、复杂的计算公式，即使使用电动机械计算器也要耗费相当的人力和时间。在这种背景下，人们开始研制电子计算机。 世界上第一台计算机“科洛萨斯”诞生于英国，“科洛萨斯”计算机是1943年3月开始研制的，当时研制“科洛萨斯”计算机的主要目的是破译经德国“洛伦茨”加密机加密过的密码。使用其他手段破译这种密码需要6至8个星期，而使用‘科洛萨斯’计算机则仅需6至8小时。1944年1月10日，“科洛萨斯”计算机开始运行。自它投入使用后，德军大量高级军事机密很快被破译，盟军如虎添翼。“科洛萨斯”比美国的ENIAC计算机问世早两年多，在二战期间破译了大量德军机密，战争结束后，它被秘密销毁了，故不为人所了解。 尽管第一台电子计算机诞生于英国，但英国没有抓住由计算机引发的技术和产业革命的机遇。相比之下，美国抓住了这一历史机遇，鼓励发展计算机技术和产业，从而崛起了一大批计算机产业巨头，大大促进了美国综合国力的发展。1944年美国国防部门组织了有莫奇利和埃克脱领导的ENIAC计算机的研究小组，当时在普林斯顿大学工作的现代计算机的奠基者美籍匈牙利数学家冯·诺依曼也参加了者像研究工作。1946年研究工作获得成功，制成了世界上第一台电子数字计算机ENIAC。这台用18000只电子管组成的计算机，尽管体积庞大，耗电量惊人，功能有限，但是确实起了节约人力节省时间的作用，而且开辟了一个计算机科学技术的新纪元。这也许连制造它的科学家们也是始料不及的。 最早的计算机尽管功能有限，和现代计算机有很大的差别，但是它已具备了现代计算机的基本部分，那就是运算器、控制器和存储器。 运算器就象算盘，用来进行数值运算和逻辑运算，并获得计算结果。而控制器就象机算机的司令部，指挥着计算机各个部分的工作，它的指挥是靠发出一系列控制信号完成的。 计算机的程序、数据、以及在运算中产生的中间结果以及最后结果都要有个存储的地方，这就是计算机的第三个部件——存储器。 计算机是自动进行计算的，自动计算的根据就是存储于计算机中的程序。现代的计算机都是存储程序计算机，又叫冯·诺依曼机，这是因为存储程序的概念是冯·诺依曼提出的。人们按照要解决的问题的数学描述，用计算机能接受的“语言”编制成程序，输入并存储于计算机，计算机就能按人的意图，自动地高速地完成运算并输出结果。程序要为计算机提供要运算的数据、运算的顺序、进行何种运算等等。 微电子技术的产生使计算机的发展又有了新的机遇，它使计算机小型化成为可能。微电子技术的发展可以追溯到晶体管的出现。1947年美国电报电话公司的贝尔实验室的三位学家巴丁、不赖顿和肖克莱制成第一支晶体管，开始了以晶体管代替电子管的时代。 晶体管的出现可以说是集成电路出台的序幕。晶体管出现后，一些科学家发现，把电路元器件和连线像制造晶体管那样做在一块硅片上可实现电路的小型化。于是，晶体管制造工业经过10年的发展后，1958年出现了第一块集成电路。 微电子技术的发展，集成电路的出现，首先引起了计算机技术的巨大变革。现代计算机多把运算器和控制器做在一起，叫微处理器，由于计算机的心脏——微处理器（计算机芯片）的集成化，使微型计算机应运尔生，并在70－80年代间得到迅速发展，特别是IBM PC个人计算机出现以后，打开了计算机普及的大门，促进了计算机在各行各业的应用，五六十年代，价格昂贵、体积庞大、耗电量惊人的计算机，只能在少数大型军事或科研设施中应用，今天由于采用了大规模集成电路，计算机已经进入普通的办公室和家庭。 标志集成电路水平的指标之一是集成度，即在一定尺寸的芯片上能做出多少个晶体管，从集成电路出现到今天，仅40余年，发展的速度却是惊人的，芯片越做越小，这对生产、生活的影响也是深远的。ENIAC计算机占地150平方米，重达30吨，耗电量几百瓦，其所完成的计算，今天高级一点的袖珍计算器皆可完成。这就是微电子技术和集成电路所创造的奇迹。 现状与前景 美国科学家最近指出，经过30多年的发展，计算机芯片的微型化已接近极限。计算机技术的进一步发展只能寄希望于全新的技术，如新材料、新的晶体管设计方法和分子层次的计算技术。 过去30多年来，半导体工业的发展基本上遵循穆尔法则，即安装在硅芯片上的晶体管数目每隔18个月就翻一番。芯片体积越来越小，包含的晶体管数目越来越多，蚀刻线宽越来越小；计算机的性能也因而越来越高，同时价格越来越低。但有人提出，这种发展趋势最多只能再持续10到15年的时间。 美国最大的芯片生产厂商英特尔公司的科学家保罗·A·帕坎最近在美国《科学》杂志上撰文说，穆尔法则（1965年提出的预测半导体能力将以几何速度增长的法则）也许在未来10年里就会遇到不可逾越的障碍：芯片的微型化已接近极限。人们尚未找到超越该极限的方法，一些科学家将其称之为“半导体产业面临的最大挑战”。 目前最先进的超大规模集成电路芯片制造技术所能达到的最小线宽约为0.18微米，即一根头发的5％那样宽。晶体管里的绝缘层只有4到5个原子那样厚。日本将于2000年初开始批量生产线宽只有0. 13微米的芯片。预计这种芯片将在未来两年得到广泛应用。下一步是推出线宽0. 1微米的的芯片。帕坎说，在这样小的尺寸上，晶体管只能由不到100个原子构成。 芯片线宽小到一定程度后，线路与线路之间就会因靠得太近而容易互相干扰。而如果通过线路的电流微弱到只有几十个甚至几个电子，信号的背景噪声将大到不可忍受。尺寸进一步缩小，量子效应就会起作用，使传统的计算机理论完全失效。在这种情况下，科学家必须使用全新的材料、设计方法乃至运算理论，使半导体业和计算机业突破传统理论的极限，另辟蹊径寻求出路。 当前计算机发展的主流是什么呢？国内外比较一致的看法是RISC RISC是精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）的英文缩写。所谓指令系统计算机所能执行的操作命令的集合。程序最终要变成指令的序列，计算机能执行。计算机都有自己的指令系统，对于本机指令系统的指令，计算机能识别并执行，识别就是进行译码——把代表操作的二进制码变成操作所对应的控制信号，从而进行指令要求的操作。一般讲，计算机的指令系统约丰富，它的功能也约强。RISC系统将指令系统精简，使系统简单，目的在于减少指令的执行时间，提高计算机的处理速度。传统的计算机一般都是每次取一条指令，而RISC系统采用多发射结构，在同一时间发射多条指令，当然这必须增加芯片上的执行部件。并行处理技术 并行处理技术也是提高计算机处理速度的重要方向，传统的计算机，一般只有一个中央处理器，中央处理器中执行的也只是一个程序，程序的执行是一条接一条地顺序进行，通过处理器反映程序的数据也是一个接一个的一串，所以叫串行执行指令。并行处理技术可在同一时间内多个处理器中执行多个相关的或独立的程序。目前并行处理系统分两种：一种具有4个、8个甚至32个处理器集合在一起的并行处理系统，或称多处理机系统；另一种是将100个以上的处理器集合在一起，组成大规模处理系统。这两种系统不仅是处理器数量多少之分，其内部互连方式、存储器连接方式、操作系统支持以及应用领域都有很大的不同。 曾经有一段时间，超级计算机是利用与普通计算机不同的材料制造的。最早的克雷1号计算机是利用安装在镀铜的液冷式电路板上的奇形怪状的芯片、通过手工方式制造的。而克雷2号计算机看起来更加奇怪，它在一个盛有液态碳氟化合物的浴器中翻腾着气泡———采用的是“人造血液”冷却。并行计算技术改变了所有这一切。现在，世界上速度最快的计算机是美国的“Asci Red”， 这台计算机的运算速度为每秒钟2·1万亿次，它就是利用与个人计算机和工作站相同的元件制造的，只不过超级计算机采用的元件较多而已，内部配置了9000块标准奔腾芯片。鉴于目前的技术潮流，有一点是千真万确的，那就是超级计算机与其它计算机的差别正在开始模糊。 至少在近期，这一趋势很明显将会继续下去。那么，哪些即将到来的技术有可能会扰乱计算技术的格局，从而引发下一次超级计算技术革命呢？ 这样的技术至少有三种：光子计算机、生物计算机和量子计算机。它们能够成为现实的可能性都很小，但是由于它们具有引发革命的潜力，因此是值得进行研究的。光子计算机 光子计算机可能是这三种新技术中最接近传统的一种。几十年来，这种技术已经得到了有限的应用，尤其是在军用信号处理方面。 在光子计算技术中，光能够像电一样传送信息，甚至传送效果更好，，光束在把信息从一地传送至另一地的效果要优于电，这也就是电话公司利用光缆进行远距离通信的缘故。光对通信十分有用的原因，在于它不会与周围环境发生相互影响，这是它与电不同的一点。两束光线可以神不知鬼不觉地互相穿透。光在长距离内传输要比电子信号快约100倍，光器件的能耗非常低。预计，光子计算机的运算速度可能比今天的超级计算机快1000到10000倍。 令人遗憾的是，正是这种极端的独立性使得人们难以制造出一种全光子计算机，因为计算处理需要利用相互之间的影响。要想制造真正的光子计算机，就必须开发出光学晶体管，这样就可以用一条光束来开关另一条光束了。这样的装置已经存在，但是要制造具有适合的性能特征的光学晶体管，还需要仰仗材料科学领域的重大突破。生物计算机 与光子计算技术相比，大规模生物计算技术实现起来更为困难，不过其潜力也更大。不妨设想一种大小像柚子，能够进行实时图像处理、语音识别及逻辑推理的超级计算机。这样的计算机已经存在：它们就是人脑。自本世纪70年代以来，人们开始研究生物计算机（也叫分子计算机），随着生物技术的稳步发展，我们将开始了解并操纵制造大脑的基因学机制。 生物计算机将具有比电子计算机和光学计算机更优异的性能。如果技术进步继续保持目前的速度，可以想像在一二十年之后，超级计算机将大量涌现。这听起来也许像科幻小说，但是实际上已经出现了这方面的实验。例如，硅片上长出排列特殊的神经元的“生物芯片”已被生产出来。 在另外一些实验室里，研究人员已经利用有关的数据对DNA的单链进行了编码，从而使这些单链能够在烧瓶中实施运算。这些生物计算实验离实用还很遥远，然而1958年时我们对集成电路的看法也不过如此。量子计算机 量子力学是第三种有潜力创造超级计算革命的技术。这一概念比光子计算或生物计算的概念出现得晚，但是却具有更大的革命潜力。由于量子计算机利用了量子力学违反直觉的法则，它们的潜在运算速度将大大快于电子计算机。事实上，它们速度的提高差不多是没有止境的。一台具有5000个左右量子位的量子计算机可以在大约3 0秒内解决传统超级计算机需要100亿年才能解决的素数问题。 眼下恰好有一项重要的用途适合这种貌似深奥的作业。通过对代表数据的代码进行加密，计算机数据得到保护。而解密的数学“钥匙”是以十分巨大的数字——一般长达250位——及其素数因子的形式出现的。这样的加密被认为是无法破译的，因为没有一台传统计算机能够在适当的时间里计算出如此巨大数字的素数因子。但是，至少在理论上，量子计算机可以轻易地处理这些素数加密方案。因此，量子计算机黑客将不仅能够轻而易举地获得常常出没于各种计算机网络（包括因特网）中的信用卡号码及其他个人信息，而且能够轻易获取政府及军方机密。这也正是某些奉行“宁为人先、莫落人后”这一原则的政府机构一直在投入巨资进行量子计算机研究的原因。量子超级网络引擎 量子计算机将不大可能破坏因特网的完整性，不仅如此，它们到头来还可能给因特网带来巨大的好处。两年前，贝尔实验室的研究人员洛夫·格罗弗发现了用量子计算机处理我们许多人的一种日常事务的方法———搜寻隐藏在浩如烟海的庞大数据库内的某项信息。寻找数据库中的信息就像是在公文包里找东西一样。如果各不相同的量子位状态组合分别检索数据库不同的部分，那么其中的一种状态组合将会遭遇到所需查找的信息。 由于某些技术的限制，量子搜索所能带来的速度提高并没有预计的那么大，例如，如果要在1亿个地址中搜索某个地址，传统计算机需要进行大约5000万次尝试才能找到该地址；而量子计算机则需大约1万次尝试，不过这已经是很大的改善了，如果数据库增大的话，改善将会更大。此外，数据库搜索是一种十分基础的计算机任务，任何的改善都很可能对大批的应用产生影响。 迄今为止，很少有研究人员愿意预言量子计算机是否将会得到更为广泛的应用。尽管如此，总的趋势一直是喜人的。尽管许多物理学家————如果不是全部的话———一开始曾认为量子力学扑朔迷离的本性必定会消除实用量子计算技术面临的难以捉摸而又根深蒂固的障碍，但已经进行的深刻而广泛的理论研究却尚未能造就一台实实在在的机器。 那么，量子计算机的研究热潮到底意味着什么？计算技术的历史表明，总是先有硬件和软件的突破，然后才出现需要由它们解决的问题。或许，到我们需要检索那些用普通计算机耗时数月才能查完的庞大数据库时，量子计算机才将会真正开始投入运行。研究将能取代电子计算机的技术并非易事。毕竟，采用标准微处理器技术的并行计算机每隔几年都会有长足的进步。因此，任何要想取代它的技术必须极其出色。不过，计算技术领域的进步始终是十分迅速的，并且充满了意想不到的事情。对未来的预测从来都是靠不住的，事后看来，那些断言“此事不可行”的说法，才是最最愚蠢的。 除了超级计算机外，未来计算机还会在哪些方面进行发展呢？多媒体技术 多媒体技术是进一步拓宽计算机应用领域的新兴技术。它是把文字、数据、图形、图像和声音等信息媒体作为一个集成体有计算机来处理，把计算机带入了一个声、文、图集成的应用领域。多媒体必须要有显示器、键盘、鼠标、操纵杆、视频录象带／盘、摄象机、输入／输出、电讯传送等多种外部设备。多媒体系统把计算机、家用电器、通信设备组成一个整体由计算机统一控制和管理。多媒体系统将对人类社会产生巨大的影响。网络 当前的计算机系统多是连成网络的计算机系统。所谓网络，是指在地理上分散布置的多台独立计算机通过通信线路互连构成的系统。根据联网区域的大小，计算机网络可分成居域网和远程网。小至一个工厂的各个车间和办公室，大到跨洲隔洋都可构成计算机网。因特网将发展成为人类社会中一股看不见的强大力量－－它悄无声息地向人们传递各种信息，以最快、最先进的手段方便人类的工作和生活。现在的因特网发展有将世界变成“地球村”的趋势。 专家认为PC机不会马上消失，而同时单功能或有限功能的终端设备（如手执电脑、智能电话）将挑战PC机作为计算机革新动力的地位。把因特网的接入和电子邮件的功能与有限的计算功能结合起来的“置顶式”计算机如网络电视将会很快流行开来。单功能的终端最终会变得更易应用智能化计算机 我们对大脑的认识还很肤浅，但是使计算机智能化的工作绝不能等到人们对大脑有足够认识以后才开始。使计算机更聪明，从开始就是人们不断追求的目标。目前用计算机进行的辅助设计、翻译、检索、绘图、写作、下棋、机械作业等方面的发展，已经向计算机的智能化迈进了一步。随着计算机性能的不断提高，人工智能技术在徘徊了50年之后终于找到了露脸的机会，世界头号国际象棋大师卡斯帕罗夫向“深蓝”的俯首称臣，让人脑第一次尝到了在电脑面前失败的滋味。人类从来没有像今天这样深感忧惧，也从来没有像今天这样强烈地感受到认识自身的需要。 目前的计算机，多数是冯·诺依曼型计算机，它在认字、识图、听话及形象思维方面的功能特别差。为了使计算机更加人工智能化，科学家开始使计算机模拟人类大脑的功能，近年来，各先进国家注意开展人工神经网络的研究，向计算机的智能化迈出了重要的一步。 人工神经网络的特点和优越性，主要表现在三个方面：具有自学功能。六如实现图象识别时，只要线把许多不同的图象样板和对应的应识别的结果输入人工神经网络，网络就会通过自学功能，漫漫学会识别类似的图像。自学功能对于预测有特别重要的意义。预期未来的人工神经网络计算机将为人类提供同经济预测、市场预测、效益预测、其前途是很远大的。 具有联想储存功能。人的大脑是具有两厢功能的。如果有人和你提起你幼年的同学张某某。，你就会联想起张某某的许多事情。用人工神经网络的反馈网络就可以实现这种联想。 具有高速寻找优化解的能力。寻找一个复杂问题的优化解，往往需要很大的计算量，利用一个针对某问题而设计的反馈人工神经网络，发挥计算机的高速运算能力，可能很快找到优化解。 人工神经网络是未来为电子技术应用的新流域。智能计算机的构成，可能就是作为主机的冯·诺依曼机与作为智能外围的人工神经网络的结合。 人们普遍认为智能计算机将像穆尔定律（1965年提出的预测半导体能力将以几何速度增长的定律）的应验那样必然出现。提出这一定律的英特尔公司名誉董事长戈登·穆尔本人也同意这一看法，他认为：“硅智能将发展到很难将计算机和人区分开来的程度。”但是计算机智能不会到此为止。许多科学家断言，机器的智慧会迅速超过阿尔伯特·爱因斯坦和霍金的智慧之和。霍金认为，就像人类可以凭借其高超的捣弄数字的能力来设计计算机一样，智能机器将创造出性能更好的计算机。最迟到下个世纪中叶（而且很可能还要快得多），计算机的智能也许就会超出人类的理解能力。什么是计算机语言计算机语言的种类非常的多，总的来说可以分成机器语言，汇编语言，高级语言三大类。 电脑每做的一次动作，一个步骤，都是按照以经用计算机语言编好的程序来执行的，程序是计算机要执行的指令的集合，而程序全部都是用我们所掌握的语言来编写的。所以人们要控制计算机一定要通过计算机语言向计算机发出命令。 计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0和1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。 目前通用的编程语言有两种形式：汇编语言和高级语言。 汇编语言的实质和机器语言是相同的，都是直接对硬件操作，只不过指令采用了英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。它同样需要编程者将每一步具体的操作用命令的形式写出来。汇编程序通常由三部分组成：指令、伪指令和宏指令。汇编程序的每一句指令只能对应实际操作过程中的一个很细微的动作，例如移动、自增，因此汇编源程序一般比较冗长、复杂、容易出错，而且使用汇编语言编程需要有更多的计算机专业知识，但汇编语言的优点也是显而易见的，用汇编语言所能完成的操作不是一般高级语言所能实现的，而且源程序经汇编生成的可执行文件不仅比较小，而且执行速度很快。 高级语言是目前绝大多数编程者的选择。和汇编语言相比，它不但将许多相关的机器指令合成为单条指令，并且去掉了与具体操作有关但与完成工作无关的细节，例如使用堆栈、寄存器等，这样就大大简化了程序中的指令。同时，由于省略了很多细节，编程者也就不需要有太多的专业知识。 高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的VB、VC、FoxPro、Delphi等，这些语言的语法、命令格式都各不相同。 高级语言所编制的程序不能直接被计算机识别，必须经过转换才能被执行，按转换方式可将它们分为两类: 解释类：执行方式类似于我们日常生活中的“同声翻译”，应用程序源代码一边由相应语言的解释器“翻译”成目标代码(机器语言)，一边执行，因此效率比较低，而且不能生成可独立执行的可执行文件，应用程序不能脱离其解释器，但这种方式比较灵活，可以动态地调整、修改应用程序。 编译类：编译是指在应用源程序执行之前，就将程序源代码“翻译”成目标代码(机器语言)，因此其目标程序可以脱离其语言环境独立执行，使用比较方便、效率较高。但应用程序一旦需要修改，必须先修改源代码，再重新编译生成新的目标文件(＊ .OBJ)才能执行，只有目标文件而没有源代码，修改很不方便。现在大多数的编程语言都是编译型的，例如Visual C＋＋、Visual Foxpro、Delphi等。
中华硕博网核心提示: 脑卒中；康复治疗；脑血管病［摘要］目的：探讨有针对性的三期康复治疗方案对脑卒中患者的积极作用。方法：对120例脑卒中患者分别在疾病脑卒中；康复治疗；脑血管病［摘要］目的：探讨有针对性的三期康复治疗方案对脑卒中患者的积极作用。方法：对120例脑卒中患者分别在疾病早期、中期、后期采取不同的康复治疗措施。结果：治疗后FMA及Barthel指数评分较治疗前明显提高，P＜0.05，差异具有统计学意义。结论：通过临床实践的观察，我们在疾病早期、中期、后期所采取的康复措施是积极的、正确的、有效的此治疗方案值得长期应用推广。［关键词］脑卒中；康复治疗；脑血管病脑血管意又称急性脑血管病、脑卒中或中风，是一组急性起病的脑血液循环障碍疾病，以起病急骤，出现局灶神经功能缺失为特征。其引起的功能障碍主要表现在意识、运动、知觉、熟悉、语言、精神情绪方面，其大多发生在中老年人，发病率、患病率、死亡率及致残率、复发率均较高，致残后严重影响患者日常生活，增加社会及家庭负担，因此对本病进行积极的康复治疗甚为重要［1］。1资料与方法1.1一般资料急性脑卒中偏瘫患者120例，年龄36岁～85岁，脑出血50例，脑梗死70例，病程1周，均经头颅CT或MRI确诊。120例患者除常规药物治疗外，均接受3期康复练习治疗方案。1.2疗效评定标准采用Barthel指数评定ADL，采用FMA评定法评定运动功能，以练习前与练习后分值进行比较。1.3统计学处理采用t检验进行统计学分析。2结果练习前评分差异无显著性，练习后两种评分值均有提高，练习后分值较练习前分值差异有显著性，见表1。表1120例患者治疗前后FMA、Barthel评分比较由此，3期康复治疗方案效果较好，值得临床广泛应用，3期康复是指早期康复、中期康复和后期康复，具体各期康复方案如下［2］。2.1方法2.1.1早期康复正确体位；翻身练习；床上自我辅助练习；床边被动运动；促进肌肉收缩的方法；排痰；床头抬高座位练习；面、舌、唇肌刺激；呼吸控制练习；卧坐练习；坐位平衡；坐位操；床到轮椅的转移；坐站练习；健手做力所能及的日常生活活动；应用电刺激；应用机电反馈技术；应用针灸治疗；应用推拿治疗；应用脑循环治疗促进脑血液循环；言语治疗；心理治疗。此期指导患者和家属每日若干次完成等项，由治疗师完成1次/d，45min/次，其余各项可选择性进行。2.2.2中期康复抑制协同运动模式，尽可能练习肌肉关节能够随意的独立运动，提高各关节的协调性，逐步恢复患者的运动能力。中期康复方法，卧位：从被动――助动――主动抑制上肢痉挛模式。伸展躯干促进和改善躯干活动，抑制躯干紧张、痉挛。双手抱膝左右轻摇身体以控制上下肢痉挛。肩关节屈曲下用患手触摸治疗者手再触摸自己的前额，然后再触摸自己对侧肩以练习肘关节随意屈伸功能。肢体放置与保持活动。肩关节各项自主活动，肘关节各项自主活动，腕指的自主活动，肩胛带的活动。桥式运动练习髋关节伸展控制，髋内收，外展控制练习，膝关节屈曲，伸展控制练习，髋伸展位膝关节的屈曲伸展控制练习。患肢悬垂位练习下肢预备负重运动，俯卧位屈患膝练习。坐位：患侧上肢支撑练习。患侧上肢支撑下做小范围屈伸肘关节，患手向前推物或双手交叉拾物，手背推移物体，前臂旋转压橡皮泥，患侧下肢屈髋运动，手指夹拾小物体，健侧下肢肌力练习，患侧下肢屈伸膝运动。站立位：站位平衡练习。站立平衡操，坐站控制练习，及分解练习。双手支撑墙面做肘关节屈曲伸展运动以促进肘关节伸展或者患手独立支撑，双腿前后站立，重心移动以小范围屈伸患膝，髋伸展位屈膝，屈髋屈膝预备迈步，患侧下肢内收、外展和下降骨盆练习。扶持下单腿分别站立。低迈步练习以控制骨盆上提下进行迈步。足跟着地练习、双杠内步行练习、持拐步行练习、上下楼梯、床边ADL练习，此期需治疗师帮助与指导完成，一般天天需1次～2次45min/次，每周练习4d～5d。2.2.3后期康复继续前一阶段的练习，进一步巩固，提高并运用到日常生活中。手指的精细动作加强练习，侧方行走练习，先向健侧后向患侧。改善步态练习，促进患侧下肢支撑能力。做站立位两足轮流前交叉运动，家庭ADL指导，居室改造。3讨论我们通过临床实践3期康复治疗方案在治疗前后的Barthel指数和FMA评分对比P＜0.05，有明显的统计学意义。通过练习能恢复一定的步行能力或有明显的改善或提高患者的生活自理能力，由此此治疗方案是有一定应用价值和必要的。
脑肿瘤产生的原因有很多种，如今并没有确定脑肿瘤一定就是由于某种原因产生的。但是我们还是大体可以总结，可能有哪些因素导致脑肿瘤的产生。一、化学因素：基础研究已证实，脑肿瘤的发生与接触杀虫剂、溶剂、染料和甲醛有关。此外，怀孕母亲产前接触酒精、染发剂等，可增加子女患神经母细胞瘤的风险。二、创伤因素：因外界创伤刺激到脑、脑膜瘢痕组织间而引发肿瘤，这种创伤性肿瘤多半发生在硬脑膜和蛛网膜损伤的基础上。此外，脑部外伤可促使原已存在的脑肿瘤加速生长。三、手机、电脑辐射：手机、电脑发出的辐射电波有促进细胞癌化的作用。四、放射因素：接触放射线可导致脑肿瘤的发生。急性淋巴细胞性白血病儿童接受中枢神经系统预防性放射治疗可增加星形细胞瘤、恶性胶质瘤发生的危险性;垂体腺瘤接受放射治疗后常被检出胶质瘤;放射线还可诱发脑膜瘤。五、生物学因素。这种情况主要是指各类病毒的入侵，比较不易被察觉。实验证实病毒(如：腺病毒、猴空泡病毒(SV40)、肉瘤病毒等)可诱发起禽类及脊椎动物的颅内肿瘤。病毒细胞的染色体上，改变了染色体基因的特性，使细胞原有增殖的特性发生改变，从而导致了脑膜瘤的发生
大脑是人体的一个重要器官，大脑一旦出现了问题，就会严重影响整个身体健康，脑肿瘤是近几年来发病率极高的一种病症，脑肿瘤的发生不仅影响到一个人的健康，还有可能会导致整个家庭受到影响，脑肿瘤是一种极其可怕的疾病。
一、脑部肿瘤的形成与化学因素有一定的关系，生活中经常接触杀虫剂，溶剂染料和甲醛有关的物品，都有可能会影响到脑部，从而导致脑肿瘤的形成，因此生活中尽量的远离化学物品，避免化学物品对人体带来的危害。
二、创伤因素也是导致脑部肿瘤的一个原因之一，当脑部受到创伤后，就会刺激到脑或脑膜瘢痕组织，从而引起脑肿瘤，除此之外脑部外伤还有可能会存在脑肿瘤加速生长的情况。三、辐射因素也是导致脑部肿瘤的一个主要原因，现在电子产品成为了生活中常见的物品，大部分的电子产品中都含有较强的辐射，这些辐射电波有促进细胞癌化的作用，长期以往最容易形成脑部肿瘤。四、生物学因素也与脑部肿瘤有密切的关系，生物学因素主要是指各种病毒的嵌入，一般这种情况下是不易被觉察到的，当病毒进入到人体细胞的染色体上时，就会导致染色体基因的特性改变，使细胞原有的增殖特性发生改变，从而导致脑肿瘤的发生。
脑部肿瘤是种危害人类健康的疾病，这种疾病发生比较急促，一旦发生不及时治疗，将有可能会随时导致患者有生命危险。为了个人的健康，尽量的保持良好的生活习惯和饮食习惯，远离一切对人体有害的物体，发生脑肿瘤后，应该采取积极的治疗，尽量的避免病情加重，影响治疗效果。
治疗指南：1．手术治疗：性质较良性、包膜较完整和较易于剥离的以及病程较短的脑肿瘤，手术治愈的希望较大。但对恶性程度高的或其它转移癌可行姑息性手术，如肿瘤部分切除、减压术、脑室脑池造瘘术以及脑室静脉分流术。2．放射治疗：目前多采用放疗性手术又称为立体照射，采用全方位的旋转放疗技术，使肿瘤在多方位受到照射后萎缩，甚至消失，达到和外科手术相同的效果。3．化学治疗：采用光动力学化学疗法治疗脑恶性肿瘤疗效显著。其它化疗方案有：①BCNU—DA方案：BCNU90mg/m2，I·V，第1天；DAG70mg/m2，I·V，第1天；每5周重复。用于脑肿瘤及脑转移瘤。②AVC方案：ADM45mg/m2，I·V，第1天；Vm60mg/m2，I·V，第2、3天，连续5小时点滴；CCNU60mg/m2，P·O，第4—5天，每35天重复，用于脑恶性胶质瘤。4．中药治疗：①处方：A方：龟板胶、鹿角胶、枸杞子、熟地、当归各15g，补骨脂18g，巴戟天、何首乌、黄芪、党参、金毛狗脊各30g。B方：荸荠60g，天葵子、白花蛇舌草、石决明、半枝莲各30g，重楼、半夏、白术各15g，三七、白僵蚕、天麻各10g，全蝎3g。治法：水煎服，以上二方交替使用，间日1剂，效不更方。疗效：以本方治疗颅内四脑室恶性肿瘤1例，取得显效，患者生存10年之久。②处方：全蝎、川芎各4．5g，蜈蚣6条，丹参20g，僵蚕、地龙、半夏、白术、天麻、贝母各9g，钩藤、天葵子、女贞子、枸杞子、云雾草、分心草各15g，夏枯草30g。加减：呕吐者加姜竹菇；头痛者加藁本、曼荆子，白芷、菊花；视力障碍者加蕤仁、青嵇子、蜜蒙花、石决明、石斛夜光丸；便秘者加大黄廑虫丸或番泻叶；多饮多尿者加生地、花粉、石斛、桑螵蝻、龟板、远志。治法：水煎服，每日1剂，分2—3次服。疗效：用本方共治颅内肿瘤7例。其中垂体瘤3例，脑室瘤2例，颅窝肿瘤l例，枕叶肿瘤1例。治疗存活时间最长达16年，最短者亦为5年3个月。日前，国内外对颅内肿瘤的治疗多采用手术，化疗、放疗、X刀、γ刀等，但大多难以治愈，恶性肿瘤病程短，发展快，根据恶性程度高低手术切除的多少或放化疗的敏感度，复发有早有晚，生长在脑干、丘脑等重要部位的肿瘤难以手术或不能手术，X刀，放射等治疗后的肿瘤可有缩小或短时间内控制增长以后瘤体不再生长、再复发，良性肿瘤病程较长，生长缓慢，手术完全切除的不易复发，但生长在脑干等重要部位的脑瘤手术只能部分或大部分切除，手术后瘤体还会再复发、再生长、颅内恶性肿瘤手术后放、化疗平均存活率不足一年，偏良性的胶质瘤，垂体瘤、颅咽管瘤、胆脂瘤等颅内良性肿瘤手术不易切除干净，γ刀、X刀、放射治疗并不可能彻底杀死肿瘤，因此大部分患者手术后仍然会再复发。
第一章：肿瘤免疫分型的起源 1.肿瘤免疫分型的由来 肿瘤的近代治疗起源于西方，可从18世纪算起。而更远的肿瘤治疗史可追溯到我国宋代。最早描述癌症的特征是《仁斋直指附遗方论》一书中 “癌者上高下深，岩穴之状，颗颗累垂……毒根深藏，穿孔透里” ，意思是说肿瘤像岩石状，有毒根深藏于体内，从这句话可以看出那时对肿瘤的外观描述，基本上与现在的肿瘤类似。人类与肿瘤的斗争已长达上千年，而始终没有取得重大进展。这是因为先前对肿瘤的研究大多集中在肿瘤细胞本身，也就是大家所认识的肿瘤生物学范畴；而随着医疗和科研水平的进步，人们认识到肿瘤异质性很大，尤其是患者之间更无从规律可循，并且肿瘤细胞可在周围环境产生变化之后发生进化，研究肿瘤细胞本身就变得困难重重。因此直到步入20世纪，人们才开始认识到要想战胜肿瘤，我们需要更强大的武器，那就是 人体自身的免疫系统 ，这样的科研导向也就促进了肿瘤免疫学这个热门研究领域的发展。 利用人体免疫系统来杀伤肿瘤 的方式最开始并不被人们看好，一方面是因为利用免疫系统治疗肿瘤的方式没有像手术、化疗那样立竿见影；另一方面是因为最开始科学家对复杂的人体免疫系统的认识并不透彻。随着人们对机体免疫系统的研究越来越深入，肿瘤免疫治疗近二十年才得以慢慢为世人所接受，其中最为引起轰动的是 2018年的诺贝尔医学奖授予了研究肿瘤免疫治疗的两位学者：Allison和Honjo 。他们分别揭示了免疫检查点CTLA-4和PD-1在肿瘤中的作用，从而为免疫治疗药物的临床应用奠定了基础。 免疫检查点抑制剂在很多肿瘤中都取得了良好的响应，这本应该是一个比较理想的结局，然而故事并没有那么简单，并且肿瘤的免疫治疗之路才刚刚开始。随着免疫检查点抑制剂投入到各种肿瘤的大型临床实验中，问题也越来越突出，那就是虽然有些肿瘤患者对免疫检查点抑制剂应答很好，但在另外很多肿瘤患者中免疫检查点抑制剂却根本没有任何疗效。同样的抗体，为什么会出现如此截然不同的结果？科学家开始研究导致这种现象的原因。 图1： 考虑到免疫检查点抑制剂主要是动员自身的免疫细胞来攻击肿瘤，那么很容易就可以想到的是会不会因为患者自身的免疫细胞的功能状态不同，从而对免疫治疗药物的应答不同呢。方向是有了，但似乎离科学家想得到的解释还有点距离。这是因为如果从整个机体的免疫系统出发，那问题就比较复杂，而且不够直接，这个问题直到免疫微环境的提出才得到更好的解决。研究者通过对多种肿瘤的肿瘤微环境分析后发现， 每一种肿瘤，甚至每一位患者的肿瘤浸润免疫细胞都存在差异 ，于是就有研究者根据免疫细胞浸润的特点将肿瘤大致分为 “冷”肿瘤 和 “热”肿瘤 ， 前者肿瘤中浸润的免疫细胞少以及较多比例的是免疫抑制性细胞（Treg,MDSC），对免疫治疗应答反应弱；后者肿瘤中浸润着较多的激活性免疫细胞（CD8+T,Th1），能对免疫治疗药物产生较好的应答反应。 2.肿瘤免疫分型分子机制 “冷”“热”肿 瘤概念的提出是 肿瘤免疫分型的雏形 ，而如果想进一步的理解免疫分型，人们就迫切需要知道究竟是什么原因会引起不同患者肿瘤免疫微环境如此大的差异。 众所周知，人体免疫系统是一个整体，其包括中枢免疫器官胸腺、骨髓以及外周免疫器官淋巴结、脾脏等，它们是各种免疫细胞的驻扎地，还需要淋巴管、血管等完成免疫细胞到局部组织的运输工作。肿瘤中很少有淋巴管，而血管含量丰富。那是不是肿瘤血管的含量是引起免疫细胞浸润的不同呢？答案是否定的，因为血管丰富的肿瘤反而浸润更多的抑制性免疫细胞，促进肿瘤的生长。故事说到这，就需要一些免疫学知识做支撑。 免疫细胞的定向迁徙除了受血管和淋巴管影响外，还需要一类重要的免疫分子：趋化因子以及趋化因子受体。如果将血管比作马路， 趋化因子就是信号灯，它们掌控着各种免疫细胞的走向 。 图2： 科学家通过研究发现，正是 肿瘤中各种趋化因子和趋化因子受体的种类以及含量不同，才会引起不同患者肿瘤浸润免疫细胞的巨大差异 。一些肿瘤细胞也因此利用免疫系统的这个特点，从而释放促进抑制性免疫细胞浸润的趋化因子，并高表达对应的趋化因子受体来吸引抑制性免疫细胞的浸润，从而有利于自身的生长。 第二章：肿瘤免疫分型的全面揭示 1.肿瘤三大免疫分型的提出 肿瘤免疫分型的理念被提出了，但科研不是哲学，光是理念是远远不够的，研究者需要用数据说话。 肿瘤浸润的免疫细胞肿瘤虽多，但大体可以分为两种，一种是可以发挥杀伤肿瘤作用的免疫细胞，如：NK, NKT, CD8+ T细胞；另一类则是发挥抑制免疫细胞杀伤肿瘤功能的细胞，如：Treg, Th1, Th2, M1, M2； 这些免疫细胞中功能最重要的就是T细胞，因为无论是何种形式的免疫细胞调控网络最后都需要T细胞的参与，而且目前各种免疫检查点抑制剂主要也是作用于T细胞来发挥抗肿瘤功能，因此揭示肿瘤浸润的T细胞功能是最重要的。 图3： 对肿瘤免疫分型的研究有很多，其中 比较受研究者广泛认可的就是肿瘤的三大免疫分型： “免疫浸润型” 、 “免疫排斥型” 、 “免疫沙漠型” 。研究者通过对肿瘤组织进行免疫组化染色后发现这三类显著的差异，在“免疫浸润型”肿瘤中，CD8+T细胞可以浸润到肿瘤内部；“免疫排斥型”肿瘤中，虽然也有较高的CD8+T细胞浸润程度，但都是集中在肿瘤外围；而“免疫沙漠型”肿瘤中很少有CD8+T细胞的浸润。 图4： 进一步的研究发现，“免疫浸润型”肿瘤内部表达较高的 MHCI 类分子 ，而另外两种类型的肿瘤中却MHCI分子的表达情况明显降低；此外，“免疫排斥型”的肿瘤外围表达较高的 细胞表面糖蛋白丝氨酸蛋白酶(FAP) ，这个基因主要负责塑造细胞外基质，可调控肿瘤外周形成一层厚厚的基质，从而阻断免疫细胞的浸润。 2.肿瘤免疫分型的量化 三大肿瘤免疫分型的提出为研究者提供了更加确切的证据，但同时也引出一个问题，就是对于很多患者来说被诊断出肿瘤时都已经是晚期；而且如果对每一位患者都进行组织切片，从而进行免疫组化染色来进行肿瘤分型是不切合实际的。因此，研究者在一个大型卵巢肿瘤队列中将数字病理和转录组数据分析进行结合，开发了一种机器学习方法来揭示肿瘤的分子分类和描述肿瘤免疫表型。通过使用随机森林的算法，研究者开发出了一个基于 157个特征基因的分类器 ，根据患者这些基因的表达情况，对患者进行肿瘤免疫特征分类。 图5： 3.影响肿瘤免疫分型的分子机制 “免疫浸润型”的肿瘤细胞表达较高水平的MHCI类分子而低表达FAP基因；而“免疫排斥型”的肿瘤细胞的MHCI类分子明显降低却高表达FAP基因。那么这两种机制有什么关联呢？哪一种才是引起不同肿瘤免疫特征的始动因素？研究者通过分析这两条路径的上下游调控机制，发现 无论是MHCI类分子还是FAP均受一个重要免疫分子的调控，那就是 TGFβ 。原来，肿瘤细胞为了逃脱T细胞的攻击，可以借助肿瘤抑制性免疫细胞(Treg,M2)产生TGFβ，后者一方面可以和肿瘤细胞上的受体结合，下调MHCI类分子；一方面可以和成纤维细胞上的受体结合上调FAP的表达，从而产生胶原蛋白形成厚厚的基质层包围在肿瘤周围，以排斥杀伤性免疫细胞的浸润。 图6： 第三章：肿瘤免疫分型的应用 说完了肿瘤免疫分型的基础知识，那么接下来我就介绍一些最近有关 肿瘤免疫分型的高分文章 ，希望能起到抛砖引玉的效果，引起大家进一步的思考。 应用1：m6A分子调控肿瘤免疫分型 近些年，肿瘤m6A修饰的调控机制也是研究的热门方向。热点碰撞会产生怎样的化学反应呢，下面首先介绍一篇发表在Molecular Cancer (IF:27.4) 的一篇文章，篇名为：m 6 A regulator -mediated methylation modification patterns and tumor microenvironment in filtration characterization in gastric cancer。 图7： 在开始讲解m6A和肿瘤免疫分型的联合分析之前，我先来介绍一些m6A的背景知识。这篇文章首先确定了21个m6A调节因子，包括8个Writers、2个Erasers和11个Readers。图7介绍的是这些分子的细胞分布和基本功能，简单来说m6A是对RNA的一种可逆的修饰方式，依靠Writers对RNA进行修饰，Readers进行m6A修饰信息的读取，当完成特定使命后又可以依靠Erasers对m6A修饰进行删除。 图8： 下面开始讲解这篇文章的主要内容，作者首先根据 m6A调控因子的表达对患者进行分类 ，随后发现这种分类和肿瘤免疫分型有很高的相似度 。于是作者就研究了肿瘤的m6A修饰和免疫分型的关系。最后发现依靠m6A特征基因算出的m6Ascore值在“免疫浸润型”、“免疫排斥型”、“免疫沙漠型”患者中的得分存在明显差异（图8A）。随后在抗PD-L1队列（IMvigor210）和抗PD-1队列（GSE78220）中，低m6Ascore的患者都具有显著的临床疗效(图8B)，并且显著的延长了生存率。此外，低m6Ascore患者的PD-L1明显高表达，这表明在对抗PD-1/L1免疫治疗中有潜在的反应。 总之， 这项研究基于21个m6A调节因子，区分了三个不同的m6A甲基化修饰模式，这三种模式具有明显不同的TME细胞浸润特性。 并且不同的m6A修饰模式之间的mRNA转录组差异与m6A和免疫相关的生物途径显著相关。作者建立了m6A score评分系统来评估每个胃癌患者的m6A修饰模式，从而在预测免疫治疗结果方面具有重要价值。 应用2：单细胞测序揭示卵巢癌免疫特征 单细胞测序是近几年兴起的一项革命性技术，它赋予了研究者在单个细胞水平研究各种细胞功能机制的能力。同样作为近些年高分文章中的常用技术，单细胞测序揭示肿瘤免疫分型会有什么样的惊喜呢，下面我就介绍一篇发表在Cancer cell (IF:31.7) 杂志上的一篇文章，篇名为：Single-cell dissection of cellular components and interactions shaping the tumor immune phenotypes in ovarian cancer 图9： 此研究首先对15名卵巢癌患者的肿瘤样本进行scRNA-seq（图9A），根据已知的细胞类型的标记物来定义细胞类型。结果表明，从整体看不同免疫分型的患者肿瘤细胞差异较大，同一免疫类型的肿瘤细胞能聚类到一起，不同免疫分型的肿瘤细胞差异较大（图9B）；此外，基质细胞（图9C）和免疫细胞（图9D）类型虽然在患者之间转录层面差异不大，但其相对分布情况差异很大，并且与肿瘤的免疫分型并没有明确关联。 文章进一步研究了肿瘤内在特征是否影响免疫浸润模式。分析结果显示，排斥型和浸润型的肿瘤之间没有显著的肿瘤细胞转录差异，但在排斥型和浸润型组合与沙漠型肿瘤之间有29个基因表达显著差异。对于这个结论我认为为排斥型和浸润型应该也有比较大的差异，只是单细胞测序需要制备单细胞悬液，可能破坏了这种结构。因而，用单细胞空间转录组进一步解析这两种免疫分型下的肿瘤细胞功能会更有意义，尤其是揭示免疫排斥型最外周的基质细胞层的特征将会为治疗这类患者提供更直接的参考价值。 基因集合富集分析显示，这些基因主要与增殖途径有关，它们的鉴定是由三种具有增殖分子亚型的沙漠型肿瘤所驱动的。另一方面，浸润型和排斥型肿瘤细胞在干扰素应答通路中显著富集，这主要是由编码主要组织相容性复合体(MHC)I类和II类加工和呈递的基因驱动的。此外，文章还观察到浸润型和排斥型肿瘤细胞中氧化磷酸化途径显著富集。 图10： 最后，作者为了总结这些观察结果，总结出了一个模型，在这个模型中，不同的成分和肿瘤、免疫和间质间的潜在串扰可能会形成不同的肿瘤免疫表型（图10）。模型中，TME中有免疫功能的肿瘤(包括浸润型和排斥型肿瘤)有许多不同于沙漠型肿瘤的共同特征。表达CX3CR1配体的内皮细胞和周细胞也可能参与浸润型和排斥型肿瘤中CX3CR1 肿瘤相关巨噬细胞的募集。浸润型和排斥型肿瘤之间也存在重要差异。在T细胞浸润型肿瘤中，浸润程度可能受到两个因素的影响：浸润型肿瘤细胞呈现出CXCL16的高表达，这可能与CXCR6+T细胞向肿瘤上皮的募集有关；此外，浸润型肿瘤中IL1 CAFs丰富，其可能通过CXCL12/ 14促进CXCR4的表达从而进一步募集T细胞。 这项研究通过 对15个临床卵巢癌患者的单细胞RNA测序分析，深入剖析了TME中不同的细胞、功能表型及其动态相互作用，使肿瘤免疫分型的特征更加丰富。 文章结果强调了可能形成肿瘤免疫表型的潜在分子机制，并可能为改善癌症免疫治疗的临床获益提供了治疗策略。 总结和展望 近些年，关于 肿瘤免疫分型 的机制探索无论是在临床研究还是基础科学研究中都是 炙手可热的方向 ，其产生的研究成果也非常有利于进行临床肿瘤免疫治疗药物的转化。 本文系统的梳理了 肿瘤免疫分型的来源、发展和应用 ，但只是窥全豹之一斑，仍然有很多细节需要大家自行补充。我是做肿瘤免疫基础研究的，近几年，发自内心体会到如今只简单的做经典的基因功能调控机制已很难再冲击高分文章，只有着手于具有潜在的临床应用价值的研究成果才能在如今科研浪潮下拔得头筹，而肿瘤免疫分型的研究正是符合了科研工作者的各种想象。 当然如果你并不是想发高分文章，只是想水几篇SCI，那么做一些较简单的肿瘤免疫分型也是不二选择。但从2021年已经发表的生信文章中可以看出，我们已很难再见到只分析纯肿瘤生物学特征的文章，将近90%的肿瘤生信思路文章或多或少都会联合免疫特征进行分析。如果之前你还不能意识到这个问题，那么阅读完此文的你就抓紧学习肿瘤免疫分型吧，相信在不久的将来也能发表一篇不错的肿瘤免疫分型相关的SCI论文。 [参考文献] Nagarsheth N, Wicha MS, Zou W. Chemokines in the cancer microenvironment and their relevance in cancer immunotherapy.Nat Rev Immunol.2017 Sep;17(9):559-572. doi: 10.1038/nri.2017.49. Epub 2017 May 30. Desbois M, Udyavar AR, et al. Integrated digital pathology and transcriptome analysis identifies molecular mediators of T-cell exclusion in ovarian cancer.Nat Commun.2020 Nov 4;11(1):5583. doi: 10.1038/s41467-020-19408-2. Zhang B, Wu Q, Li B, Wang D, Wang L, Zhou YL. m6A regulator-mediated methylation modification patterns and tumor microenvironment infiltration characterization in gastric cancer.Mol Cancer.2020 Mar 12;19(1):53. doi: 10.1186/s12943-020-01170-0. Hornburg M, Desbois M, et al. Single-cell dissection of cellular components and interactions shaping the tumor immune phenotypes in ovarian cancer.Cancer Cell.2021 Apr 27:S1535-6108(21)00212-9. doi: 10.1016/j.ccell.2021.04.004. 更多精彩文章欢迎关注生信人公众号 最新文献免费获取，欢迎还珠医科文小程序