2024年11月3日，2024腾讯科学WE大会，邀请5位世界顶级科学家，国家最高科学技术奖获得者、中国科学院院士薛其坤，诺贝尔物理学奖得主、加州理工荣誉教授基普·索恩，上交李政道研究所副所长、PandaX暗物质实验首席科学家刘江来，诺贝尔生理或医学奖得主、挪威科技大学神经科学教授梅-布里特·莫泽，哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长唐纳德·英格伯，分享基础科学研究成果与前沿应用。
本期长期主义，选择诺贝尔生理或医学奖得主、挪威科技大学神经科学教授梅-布里特·莫泽，哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长唐纳德·英格伯两位嘉宾演讲纪要，腾讯科学WE大会发布，六合商业研选精校，分享给大家，Enjoy！
梅-布里特·莫泽：网格细胞、空间地图与大脑，我生命中转折点
2014年诺贝尔生理学或医学奖得主，梅-布里特·莫泽，是大脑GPS系统发现者之一。WE大会上，她揭秘人脑中位置细胞、网格细胞、速度细胞、边界细胞等如何协同工作，让我们更好记住特定地点、理解在空间中位置、监测移动速度、感知边界等。她的研究成果，不仅揭秘人脑处理空间信息方式，也为治疗阿兹海默症等疾病带来启示。
对我最重要的是大脑，这个所有人都拥有，被头骨包裹的器官。它神奇精妙，没有大脑，就没有我们。
这是为什么，我对大脑工作原理十分好奇。我衷心希望，在今天大会上，我们可以共同加深对大脑认知，揭开大脑神秘面纱。
科学往往始于孩童时代，每项科学研究的背后，都有满怀好奇心与喜欢问问题的小孩，我也不例外。作为科学家，可以在工作中延续这份好奇心与激情，我感到十分幸运。
我职业生涯转折点之一，便是遇到爱德华·莫泽，并与他一起共事。后来，我们顺利成为奥斯陆医学教授，佩尔·安德森的学生。
他对我们说，你们是心理学家，行为学是你们老本行。他本人是医生，很了解大脑。考虑到他还是非常有名的神经科学家，假如我们一起做研究，说不定真能做出点什么。
我们当时在研究所有个愿景，这个愿景自我孩童时期就有，那是了解大脑配方，破解大脑产生高级认知功能的算法。
我们该从何下手？我决定将海马体作为切入点，在我看来，这个切入点还不错，海马体这个大脑结构为什么如此重要？
海马体位于我们耳后，我们每个人都有2个海马体。这是大脑中最美结构，它长得很像海马，被称为海马体。
20世纪50年代，一名患者亨利·莫莱森，他十分有名。亨利患有癫痫，需接受实验性外科手术。当时，外科医生切除他大脑两侧海马体。术后，亨利智力功能得到显著提升，癫痫不再发作了。术后，每次他见到主刀医生或是护士时，都仿佛不认识他们一般，每次上洗手间或从洗手间回来，也都会迷路。
所有经历，对他都宛如新生，哪怕他刚见过这人，才去过洗手间，他也完全不记得。换言之，两边海马体切除后，他再也无法创建新记忆。除此之外，他丧失时间观念，完全不记得事发生顺序。
多年来，神经科学家始终在努力破解这位患者带来的谜团。
后来，约翰·奥基夫决定研究海马体的功能，而他，加上爱德华与我，2014年获得诺贝尔奖。
他是怎么做的？他在海马体神经细胞旁边，放置一些小型传感器，观察动物在盒子里因追逐巧克力或大米而四处移动时表现。他仔细倾听动物每次移动时，电信号发出的声响。
薛院士在演讲中提到电流，我们大脑，或者说大脑中细胞，也在通过电流与化学机制而相互沟通。
从我现在播放视频中，大家可以听到大脑活动声音。视频中这只老鼠被植入一些小型传感器，图上出现的每一个红点都代表活跃的脑细胞。这个砰砰砰的声音，于我而言如听仙乐，它意味着该脑细胞处于活跃状态。
随着老鼠不断四处跑动，这个细胞活跃区域红点变得越来越多。
右边彩图上，暖色调表明该脑细胞处于活跃状态，蓝色区域表明它未被激活。
如果我们只监测过一个这样海马体，那很难说这个细胞信号到底代表什么，又是怎样被激活。
约翰·奥基夫对不同动物类似细胞都做过监测，他发现，每个细胞对自身活跃位置的选择，都具备一定倾向性。
这意味着这些细胞，会记录下动物所在位置，我们人类大脑中也有这样细胞。
在我们得知约翰与他研究成果后，也想学习他做法，用传感器记录海马体细胞的声音。
约翰是我们导师佩尔的好朋友，佩尔称，约翰是业内最佳，我们应该师从约翰，学习记录单细胞活跃度的方法。
佩尔常说的一句话是，你们要想学习新技术，就得找最好的老师。通过佩尔牵线搭桥，约翰给我与爱德华下了邀请函，邀请我们前去他位于伦敦实验室，我们把两个孩子也带去。后来，在约翰亲自指导下，我们开始用同样方法记录活跃的脑细胞。
离开实验室后不久，我们在挪威的特隆赫姆找了两份工作，就职挪威科技大学。当时我们还有个谜团没有解开：海马体中这些空间信息来自哪里？是如何生成？
我们做了很多对照试验，今天时间不多，我不赘述，这些实验让我们意识到，我们应该再去看另一个大脑结构，即内嗅皮层。
为什么内嗅皮层如此重要？海马体依赖来自内嗅皮层的信息输入。
此前，已经有人对内嗅皮层做过一些研究，给出消极反馈，我们还是想要亲眼看一看。
在我们着手记录内嗅皮层细胞活动时，奇迹发生。大家还记得之前视频中展示，约翰发现的位置细胞吗？那个细胞只在盒子左上角活跃。内嗅皮层中细胞完全不一样，这些细胞会在多处区域被激活。
比如，这个细胞位置分布十分规律，就好像在绘制棋盘花纹一样。
在这里，我们甚至可以放置等边三角形，这个图案十分精准。我们在聊的可是生物学，不是机器绘图，也不是物理，而是生物学，它竟如此精准。
我们在发现这些细胞后大为震惊，于是决定叫它们网格细胞，它们类似是大脑中坐标系。当我们来回移动时，能以这些细胞为参考，帮助海马体中细胞对位置作出判断。
内嗅皮层中，还有一种对方向感极其重要的细胞，头朝向细胞。它们是我的最爱，每次实验室有记者来采访时，我都会炫耀一番。
想象一下，我现在手中有个啮齿动物，比如一只小鼠或一只大鼠，假设我们选中一个细胞，当鼠头转到某个特定方向，该细胞会变得活跃，转向别处时不会。当鼠头转向这里时，细胞会发出啵啵啵声响，转向别处一片安静。
不同细胞，会在不同方向被激活。所有方向，都有特定头朝向细胞来表达。头朝向细胞，最初是在纽约，由塔布与兰克于20世纪90年代在前下托背部dorsal
presubiculum中发现,，我们是在内嗅皮层中发现。
接下来会跟大家聊一聊，为什么头朝向细胞的发现，对网格细胞如此重要。
有一点大家可别忘了，当人们或者动物四处走动时，可能会停下，可能会四处张望，可能会吃点东西，与别人打个招呼等，移动速度是在不断变化。
这种情况下，这些网格细胞又怎么能做到如此精准定位，甚至与等边三角形的图案都能完美契合？我们的脑中，一定有一个速度信号，在不断将信息反馈给网格细胞。
与大鼠或小鼠打过交道的人都知道，想要控制它们，简直难于登天。
要想让一只小鼠，一会儿快跑，一会儿慢跑，这怎么可能，它们听不懂人话。
解决方法是，把它们放在一个由小鼠自身控制速度的小车中。此时，就需用到摩登原始人小车。我不知道大家看没看过这个动画片，这个小车没有引擎，得靠双腿自行驱动。为什么我们需这样的一辆车？我们想让小鼠时刻保持清醒，否则我们没法获得想要的效果。
我们将实验鼠放在这辆小车上，让它自由跑动，我们通过计算机控制小车移动速度。
我们在实验中发现，当实验鼠移动速度较快时，内嗅皮层内细胞会变得更加活跃。
右图显示X轴上，大鼠速度与Y轴上细胞活动之间线性关系。很明显，二者呈正相关。
老鼠在正常生活中，是不会开车的。我们要核实一下，当老鼠正常走动时，这一关系是否还属实，事实证明如此。
大脑中还存在其他类型细胞，它们共同构成功能各异的细胞群落。
比如边界细胞，它们作用是什么？我们需边界细胞吗？答案是需要。
昨天彩排时，工作人员跟我说，不要越过舞台上标记的这条线，否则可能会摔倒。
现在，我脑中边界细胞发出噗噗噗声响，正在向我传递环境边界信息。
PPT的图显示，实验室环境中，这个边界细胞，在靠近东墙的位置较为活跃。不同的边界细胞，有不同偏好，会根据自身选择的独特环境边界发出信号。
大脑中还有一些细胞，它们能告诉我们物体远近与方位。
比如，假设这里有一个物体，当我与它保持一定距离与角度时，特定细胞会被激活。即便我转过身来，这个细胞依然会发出关于相同距离与方向的信号。
即便你移动物体，这些细胞仍会倾向指向原来方向与距离。不同细胞，代表不同方向与距离。
经过50多年对大脑结构与海马体的研究后，我们逐一揭露这些细胞的奥秘。
我们发现，当人们患上痴呆症或阿尔茨海默症时，这些细胞往往是最先受损。
阿尔茨海默症患者一个早期症状，往往是丧失对时间感知，即便是在熟悉的环境中，也会迷路，他们很难形成新的记忆。
在寻找痴呆症病因时，我们需关注内嗅皮层，探究这些细胞死因。如果我们能解答这个问题，或许就能阻止它们死去，这个研究还远未结束。
这是2014年的事，爱德华、我与约翰·奥基夫因为上述细胞的发现，共同荣获诺奖。我们在瑞典度过一段开心的时光，我们甚至还拜访瑞典皇室。
如果我们当初投身这个领域的初衷仅是为拿诺奖，我们大可以回家睡大觉，不用再继续研究，事实并非如此。
类似我之前说的，我们这些科学家，类似小孩子一样。我们好奇心丝毫未减，我们依旧充满激情，如同着魔一般，不断在问问题与寻找答案。
我们现在研究什么？有一点刚刚我一直没提，那是大脑中存在着超过800亿神经细胞，这些细胞需相互交流。目前为止，我向你们描述的都是单个功能细胞，最引人入胜的部分，是这些细胞如何通过沟通相互配合，产生我们认知功能。
问题在于，要想记录成千上万个细胞活动，我们需新工具与新技术。这一点可行吗？首先，我们得看中国。
右图是研究员宗伟健在特隆赫姆一张照片，他在北大获得博士学位，师从程和平教授，我们亲切喊他和平。
他们成功将重达500公斤的双光子显微镜，缩小到5克，使用一种非常坚固的缆线，这样动物在四处跑动时不会受到限制。
他来到挪威后，将显微镜重量减轻到不到3克，最终实际重量只有2.6克。
我今天也把它带来了现场，这是伟健自制的那台显微镜。
是不是很小巧？我们执着于尺寸，是要想研究大脑中空间导航与GPS系统，必须给动物自由探索空间，否则无法获取足够精确数据。
要想了解动物自发行为，不能将它们束缚在笨重的显微镜下，得让它们四处跑动的自由。为观察内嗅皮层的细胞，伟健在大脑中植入一个小棱镜，然后将显微镜放置其上。
伟健与我们一同在挪威特隆赫姆完成这项研究，他使用基因改造的小鼠作为实验对象。类似刚才舞者身上装点的小灯一样，当这些小鼠大脑中细胞处于活跃状态时，仿佛也有小灯在闪烁。借助伟健研发的MINI2P装置，我们对这些信号进行研究。通过这种方法，伟健记录下数百个网格细胞的活动。
2024年秋天，约翰·霍普菲尔德荣获诺贝尔物理学奖。他通过模拟神经元网络中互联节点，推动AI技术发展，他的研究同样能给我们带来参考。
改进后的霍普菲尔德网络，暗示内嗅皮层细胞的协作方法。我们可以借助伟健自制的显微镜来观察不同功能细胞的位置，比如，与网格细胞等其他功能细胞相比，头朝向细胞位于何处？网格细胞位于哪里？这些细胞如何相互交流？这个项目还在进行中，我无法透露太多信息，现在需保密，也许很快可以跟大家分享。
我们实验室还参与开发另一项技术，神经探针2.0Neuropixels 2.0。
这是由珍利亚农场研究园区蒂莫西·哈里斯所领导的一个项目，一个微型脑植入装置。依托这项技术，我们能记录成千上万个细胞活动，时间分辨率高到足以捕捉、区分这些细胞的微小电势变化。
在神经探针帮助下，细胞协同工作方式，便能清晰呈现。
由于它们相互影响，我们能借助低维技术进行数据分析，揭示这些细胞放电结构。
这是借助UMAP等技术，分析细胞活动时产生的结果。这里的每个点，都代表细胞活跃的瞬间。
这些是网格细胞，细胞活动本身是一种自我循环。由此可见，细胞何时活跃，是由多种因素共同决定。如图所示，环境中的路径与环上的路径具有一致性。
环面有什么特别之处？即便我们在睡觉，大脑中GPS系统也会处于工作状态。
这张幻灯片上是我孙子与孙女，给大家看这么可爱的宝宝，是大脑GPS中的环面结构能帮助我们回答哲学家几百年前提出的一个问题。
他们始终想要探明：我们是生来就具备感知世界的能力，还是我们大脑出生时只是一块白板，所有东西都靠后天习得？
伊曼努尔·康德指出：我们生下来，就具备感知时间与空间能力。
我们可以研究非常小的动物，甚至是不能移动，成天睡觉的小婴儿，在它们身上验证GPS环面与网格细胞是否存在。
这是一项正在进行中的研究，我不能说太多。这项研究非常有意思，大家可以拭目以待。
演讲最后，除了感谢大家之外，我希望大家能记住两条信息。
我们实验室中有这样一条标语，勇攀科学高峰，保持身心愉快，善待实验动物，倡导多元发展。
在座的各位都有好奇心，都有一堆精彩绝伦的问题，有激情，有才华，手握前沿技术，唯一需要的是合作。
最后我想说的是，如果各位记得海马体长什么样，说明大家大脑十分健康；我希望大家常怀感恩，感谢我们神奇的大脑。
唐纳德·英格伯：人体器官芯片，开创药物研发与个性化医疗的新时代
开发新药物对治疗疾病至关重要，传统药物开发模式耗时久、价格高，哈佛大学生物启发工程怀斯研究所所长，唐纳德·英格伯，领导团队开发器官芯片，是推动疾病治疗与药物开发的全新选项。
器官芯片，是一种铺着患者活细胞、可以模拟他们自身器官功能的装置。英格伯团队，设计出多种器官芯片模型，证实它们能模拟器官功能，成功开发出集成大脑、心脏、肠道、肝脏、肾脏等多个器官芯片的人体芯片。这些突破，将使药物开发过程更快速、更经济，让生产出的药物更安全。
未来，科学家们可以针对各类患者群体定制人体芯片，用于药物测试，缩短试药周期，最终实现精准医疗。
很高兴能加入这样一个群英荟萃的演讲者团队，大家的分享让我深受启发。我在哈佛大学担任教授已经40年，过去15年里，我创立、领导怀斯生物启发工程研究所。这个研究所2009年成立，致力以超前30年的视野探索生物工程领域，开创未来。
当我们开始这段探索时，回顾过往，我们看到工程学深刻改变医学。过去50年里，不论是植入物、心脏起搏器，还是药物输送系统，各个领域都发生翻天覆地变化。
展望未来30年，许多人认为我们对自然理解依旧非常有限，我们已经揭示大量关于自然如何从纳米尺度开始建构、调控、制造的奥秘。我们深刻意识到，当下正是关键的转折点，我们可以颠覆传统模式，运用生物学原理，开创全新工程创新。
2009年，我们正式启动研究所，得到哈佛史上最大一笔慈善捐赠，1.25亿美元。捐赠者汉斯约格·怀斯，赋予我们艰巨的任务：直面高风险挑战，追求能带来深远影响的突破。
在我看来，当时最严峻的问题，在于传统药物开发模式失效。全球制药公司，每年在新药研发上投入超过2,500亿美元。当这些药物进入人体临床试验阶段，超过70%药物研发，以失败告终。诸如脑部疾病等领域，失败率甚至高达95%以上。
有没有更好方法？我们是否能开发出更安全药物，让研发变得更快、更省钱？我相信答案是肯定的，我们正在用小小的装置实现这一切。
这个装置到底有什么用？我手里拿的又是什么？让我问问大家：
A、一种可以植入动物体内，用来测量药物毒性的设备？
C、一种铺着人类患者活体细胞，可以模拟人体器官功能，用于药物开发的装置？
你们答对了，是C，我刚刚拿的，正是我们称为人体器官芯片的小装置。
我们不是要在实验室里重建完整的器官，我更喜欢把这些芯片比作一个器官主要功能单位的活体三维切片或截面。
我先介绍14年前，我们发布第一个器官芯片，一个模拟肺泡，也是肺部气囊的器官芯片。
肺泡是肺部进行气体交换的部位，也是药物输送、雾霾污染物进入体内、肺炎、新冠病毒感染、肺癌转移等现象发生的场所。
肺泡结构相对简单，类似一串空心葡萄。每次我们呼吸时，空气会填满肺泡腔。有一层衬细胞是肺细胞，这些细胞依附在多孔基质上，另一侧是构成血管系统的毛细血管细胞。在这里，我们身体不断进行氧气与二氧化碳交换。
每次我们吸气，肺泡都会被拉伸；每次呼气，它们又会回缩。过去40年基础研究中，我发现，这种机械力的作用，与化学物质、基因一样，对生物调节机制至关重要。
怀斯研究所，我们试图从自然中汲取灵感来进行工程设计。
当我们试图将人类器官复杂结构简化时，应该遵循什么样核心设计原则？
我们认识到，组织是由相似细胞聚集在一起，完成特定功能单元；器官是由两种或更多种组织交界形成，新功能由此产生。
几乎每一种器官，都离不开血管组织，没有氧气与营养物质供应，生命将难以维系。
这个装置大小与一个U盘差不多，由一种光学透明的聚合物或者类似橡胶的材料制成。
如果将它横向切开，会发现内部三个中空通道，每个通道宽度不到1毫米。中间通道被一层非常薄的多孔膜，分为上下两部分，我们在这层膜上涂一层基质，让细胞能像在人体内一样附着其上。
为模拟肺泡，我们将人体肺细胞放在薄膜上侧，将人体肺毛细血管细胞放在薄膜下侧，这样我们重新构建一个肺泡-毛细血管界面。
这个装置巧妙之处在于，我们在它侧腔中施加周期性吸力或真空作用。整个装置是柔性的，装置能以与我们呼吸时相同频率与幅度实现拉伸与放松。
我们随后将空气通入装置顶部，模拟肺部实际环境。我们可以通过底部通道引入含有或不含免疫细胞的培养基。如果在装置四周，都覆盖毛细血管细胞，我们甚至可以在短时间内让血液流经装置。
如果这个装置能正常运行，它应该可以模拟器官级别的反应。
比如，当你感染细菌，患上肺炎这样疾病时，肺侧细胞会释放小分子，刺激血管侧细胞变得更具粘附性。这时，原本只是流过的白细胞，会粘附在血管细胞上，随后穿过基质层，吞噬细菌，这是免疫系统如何帮助身体保持健康的关键机制。
现在，我向大家展示一下通过显微镜观察到的真实影像。
画面中白点，是我们用荧光染料标记的新鲜人类白细胞。血管细胞与肺细胞没有被标记，你看不到它们。实验开始时，白细胞只是静静流过，这是健康状态下表现。接着，我们在另一侧加入细菌，会看到白细胞开始粘附到血管壁上。这些粘附行为，是依赖剪切力或流动条件的，在传统静态培养皿中是无法观察到这种现象。
这是放大的画面。这是一个白细胞，可以看到它找到两个血管细胞之间缝隙，穿过中央基质薄膜中五边形孔隙，迁移到肺的气腔侧。最终，它进入气腔空间。现在这段视频中，白细胞被标记为红色，细菌标记为绿色，可以看到白细胞吞噬细菌。
通过这个小小的橡胶芯片，完整观察到人类炎症反应，在类似肺器官环境中全过程。
我们第一篇论文中，我们展示一个重要发现：当类似雾霾污染物的纳米颗粒被引入装置中，它们会被吸收，引发炎症与损伤。前提是，装置内必须有生理性呼吸运动。如果装置是静止，类似大多数实验室研究细胞时那样，是无法观察到这些反应。
一些制药公司找到我们，他们说：这个装置很有意思，我们更感兴趣的是，能不能用这个装置来测量药物毒性？甚至更进一步，能不能用它开发出一些疾病模型？目前动物疾病模型，与人类实际情况的差异大。
我们通过在芯片的血管通道，引入一种FDA批准的抗癌药，白介素-2，实现 一箭双雕。
患者身上使用时，白介素-2会引发一种毒性反应，导致液体渗漏进入肺部气腔，引发肺水肿。当我们在芯片中加入白介素-2后，经过2~4天，可以看到液体从侧腔渗漏进入气腔，完全再现患者身上实际情况。
我之前提到过，我实验室已经发现机械力对细胞重要性。多年前，我们在细胞膜上发现一种离子通道，这种通道能调节细胞对机械力感知与响应，找到能抑制这种通道反应的药物。
当时一家制药公司正好在开发这种药物，将其提供给我们进行测试。当我们用这种药物处理暴露于白介素-2的肺芯片时，发现它能完全阻止液体渗漏现象。这项研究成果，助推这种药物后续进入临床试验。
接下来，我们将研究扩展到肺部另一个关键功能单位，气道。这个装置可以模拟纤毛摆动与粘液移动，速度与我们肺部粘液实际流速完全一致。
我们甚至可以把气道芯片，直接暴露在香烟烟雾中，为此我们设计一台吸烟机器人，它配备汽车打火器与类似加特林机枪的旋转装置，可以点燃多支真烟，将真正烟雾，不是提取物，直接吸入芯片的气腔空间。通过这个气道芯片，我们模拟哮喘、慢性阻塞性肺疾病、囊性纤维化、吸烟对肺部影响。
我们还开发肠道芯片，对十二指肠、回肠、空肠、结肠做模拟。
更重要的是，我们可以在这些芯片中，培养复杂的肠道微生物群，维持多日稳定培养，这是传统培养方式无法实现的。
传统培养皿中，微生物群通常被视为污染，会导致细胞立即死亡。在我们芯片中，由于具备类似体内微环境，细胞可以在这里自发形成肠绒毛，分泌粘液，使人体细胞与肠道微生物群维持一种稳态失衡，这一点非常关键。
在我职业生涯中，我看到一个重大医学范式转变：我们体内外的微生物群，是决定健康与疾病的重要因素。现在，我们终于可以好好研究它们。
盖茨基金会看到我们研究后，问我们能不能用芯片来模拟环境性肠功能障碍EED。
这是一种营养不良引发的炎症性肠病，常见资源匮乏国家的儿童中。
我们从这些儿童肠道中，提取相关细胞与他们微生物群，利用芯片成功再现这种疾病的临床表现，包括肠道炎症、肠道屏障功能下降，甚至基因表达特征，都与患者实际情况高度一致。
我们开发一个骨髓芯片，我们从患者血液或骨髓中提取造血干细胞，将它们放在芯片的一侧，这里有类似果冻的支架结构；另一侧放置毛细血管细胞，在血管通道中引入含有营养物质的培养液，模拟血液对骨髓功能的支持作用。
通过这种设计，我们在其后一个多月时间里，持续生成白细胞与红细胞，它们表现与我们人体内细胞几乎完全一致。
他们在一种抗癌药物一期临床试验中，遇到一个非常奇怪的药物毒性问题。
当他们在2小时内给药时，患者白细胞与红细胞水平都会下降；当用同样剂量，分2天给药时，只观察到白细胞减少。
这种现象通过动物模型根本无法模拟，他们在临床试验期间，记录患者体内药物浓度随时间变化情况，也是药代动力学PK情况。
我们都知道，医生开药时会说明，有些药一天服一次，有些药一周一次，有的需一天三次。用药频率，不仅影响药物安全性，对药物疗效至关重要。
这家公司已经测量过患者的药代动力学情况，我们芯片可以精确控制流体的流动，我们能在装置中模拟患者体内药物代谢过程。最终，我们在芯片中，成功再现这种与给药方案相关的毒性反应。
后来，我们从患有一种罕见遗传疾病的孩子身上提取细胞，通过芯片证明这种技术可以应用于个性化医疗。
这些孩子患有 施瓦赫曼-戴蒙德综合征的疾病，这种疾病会导致他们无法正常生成红细胞与白细胞。
当我们把这些细胞放到芯片上时，可以清晰看到，整个芯片上细胞数量明显比正常水平少一些。进一步量化后，我们发现这些患者红细胞、白细胞、干细胞数量低于正常值。
我们甚至还发现，这个罕见病的患者，可以分为两个亚群，他们在血细胞生成缺陷方面存在细微差异，此前研究从未观察到这一现象。
无论是怀斯研究所，还是全球范围内研究人员，都已经开发出几乎你能想到的每一种器官芯片。
例如，通过淋巴结芯片，我们可以观察疫苗的免疫反应；通过肝脏芯片，我们可以研究代谢过程；通过肾脏芯片，我们可以模拟排泄功能。无论是哪个器官，我们都能在芯片上加以模拟。我们一次又一次成功模拟器官功能，世界各地研究人员也在进行类似探索。
10多年前，当我第一次提出这个想法时，我曾预测有一天，我们能构建出一个人体器官芯片。
我们芯片中，有一个由毛细血管细胞组成的血管通道，将液体从一个芯片的血管通道传递到另一个芯片的血管通道。
例如，我们可以将一种口服药物加入肠道芯片，观察它如何被吸收；接着将其传递到肾脏芯片，研究药物如何被排泄；再传递到肝脏芯片，分析药物代谢过程。
我们甚至可以进一步探讨：这种药物会不会对骨髓产生毒性？它会对肺部的癌症有什么影响？
我们已经实现这个设想。我们成功培养肝脏、肠道、肾脏、骨髓等8种不同的器官芯片，通过液体连接方式将它们全部联通。
我们成功让这些芯片，维持1个月活性，证明它们在功能上，可以实现相互连通。
之后，我们又开发一个更简化版本，一个连接三个器官芯片的人体芯片系统。这个系统中，我们将肠道芯片、肝脏芯片、肾脏芯片连接在一起，添加类似心脏中血液混合的小型混合腔。通过这个混合腔，我们可以采集外周血液样本，无需直接从某一个芯片中取样。
我们利用人体芯片系统，验证是否可以提前预测药物的药代动力学PK情况。这一步非常关键，临床试验之前，医生不知道该使用什么剂量，试验必须从低剂量开始，逐步增加剂量，这个过程非常耗时。如果我们能提前预测药物在人体中表现，就能大大缩短这个过程。
利用人体芯片系统，结合计算建模，与对每个连接芯片中药物浓度的测量数据，我们能基于芯片中微小剂量、流速、质量，映射出人体中药物反应。
比如，当我们在肠道芯片中加入一种口服药物，比如咀嚼烟草中尼古丁时，我们可以定量预测药物浓度随时间变化。这些预测结果，与科学家们在过去临床研究中观察到的患者数据完全一致。
我们用一种静脉注射类抗癌药顺铂，做了同样试验，将顺铂灌注到芯片的血管通道，结果成功精准再现患者身上观察到的药物反应。
大约1年前，我们完成一项重要的研究，基于研究发现，发表一篇论文。这项研究中，我们创建870个人类肝脏芯片，每个芯片包含四种不同细胞类型：肝脏的衬细胞（肝细胞）、肝血管细胞、库普弗细胞、星状细胞。这些细胞在芯片中位置，完全符合人体实际情况，芯片两侧通道还有液体流动，这些芯片的细胞，分别来自三位不同的捐献者。
我们在这些芯片上，测试27种不同药物，大部分都是制药行业公认的基准药物，用于验证我们芯片是否真的比动物实验更准确。
选择这些药物，是这些药物在动物与人体中表现早已有明确结论。大多数药物的动物实验结果，在进入人体临床试验阶段，往往被证明是错误的。
研究结果显示，在预测药物诱导的肝损伤反应方面，肝脏芯片的准确性比动物实验高出7~8倍。
我们在这项研究中，做了经济效益分析。结果估算显示，肝脏芯片每年可以为制药行业节省20~30亿美元，它能避免在临床试验晚期，因发现药物诱导肝损伤而造成的巨大损失。
一家开发新冠疫苗的生物技术公司，已经在内部使用这些芯片来替代非人灵长类动物实验。非人灵长类动物实验，不仅有严重伦理争议，成本极其高昂。
疫情以来，这些动物的获取，更是变得异常困难。这家公司，通过实验发现，测试相同数量的药物，过去使用非人灵长类动物实验，需5年时间与520万美元；现在使用人类肝脏芯片，只需18个月，成本更是不到原来的1/10。
所有这些研究成果，对未来都有深远意义。我们可以在芯片上，构建肺、肝脏或肾脏，还可以构建出完整的人体芯片，用来观察不同系统之间相互作用。我们可以利用患者细胞制作疾病模型，模拟特定疾病发生与发展过程。
更重要的是，我们能用这项技术，完成一些临床试验无法实现的药物测试。
比如，我们现在正在研究辐射引起的毒性反应。对辐射防护药物，无法展开常规临床试验，辐射暴露，对人体是致命的，我们可以在芯片上进行相关研究。
可以用这些芯片进行产前药物测试，对孕妇进行临床试验非常困难。这项技术，能帮助我们研究老年人与年轻人、女性与男性、儿童与成人之间差异，甚至可以针对不同人群展开更加精细分析。
目前，大多数制药公司，每年在临床试验上投入高达数千万美元、甚至更多。这些试验通常需成千上万名患者参与，失败率极高。
随后，制药公司往往会回头反思：是否存在某个小规模的遗传亚群，对药物反应更好？如果能找到这样群体，他们可能会启动小规模、针对性的临床试验。如果一切顺利，药物或许会被批准在小范围内应用。
想象一下，如果我们从四川挑选出50~100名肺癌患者，用他们癌细胞制作肺芯片，再制作肝芯片与肾芯片。
我们用这些患者芯片来做药物测试，找出哪些药物，对哪些患者效果最佳，对其他器官的毒性最小。
我们再选出这部分患者，进行一个小规模临床试验。如果这套方法能成功，我们就能以前所未有速度、更低成本、更高精准性，开发出新药。
我非常、非常高兴告诉大家，基于我们研究成果、全球其他研究人员类似研究，美国国会，在大约1年前，通过《FDA现代化法案》。
这是20世纪30年代以来，首次允许FDA美国药品监管机构，在评估新药申请时，使用人体器官芯片数据替代动物实验数据。要让整个行业转变现有工作方式还需很长时间，至少，这条路已经打开。
不仅制药与生物技术行业，对这些器官芯片表现出浓厚兴趣，艺术与设计界认为这样的设计，可以为人类带来更美好的未来。
我刚才传给大家的这些芯片，已经被全球许多博物馆永久收藏，包括纽约现代艺术博物馆。
我希望大家能记住的一点是，自然从来没有把生物学、化学、物理学、艺术，划分成各自独立的学科。实现真正变革，解决重大问题关键，始终在于突破边界的桎梏，勇于直面看似无法企及的挑战。
我希望在座每一位，都能找到自己方向，与今天演讲者们一起，加入这场伟大的科学探索之旅。
科学的本质，是帮助我们理解这个世界运作方式，让这个世界变得更加美好。
六合年度报告全库会员，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
智能时代专题，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
智能时代专题第二季，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
智能时代专题第一季，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
六合商业研选付费专题报告，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
元宇宙专题，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
头号玩家第二季，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
头号玩家第一季，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
智能电动汽车专题，欢迎扫描识别下方图中二维码或点击文末“阅读原文”购买
【智能时代】现象级游戏《黑神话：悟空》的思考，游戏二元属性，文化与科技
【智能时代】自动驾驶：汽车iPhone时刻，中国三大流派演化形成中
诸神之战：美国科技巨头，从春秋五霸进入战国七雄｜GBAT 2023 大湾区智能时代产业峰会
