中科院神经所第21年，砥砺前行（下篇）：Nature、Science、4篇Neuron等

2024-06-16 00:10 来源：云美集点击：

中科院神经所第21年，砥砺前行（下篇）：Nature、Science、4篇Neuron等

视觉学习行为的神经机制

2020年6月3日，《Nature Communications》期刊在线发表了姚海珊研究组的科研成果，发现光遗传激活OFC投向V1的纤维能够降低V1神经元对视觉刺激的反应幅度，但不影响方位选择性。OFC向V1的投射能够调节V1神经元对奖励无关刺激的反应，通过改变刺激的显著性来易化视觉偶联学习。

图注：A. 在刺激-奖励偶联行为中，OFC神经元的奖励预期信号通过反馈投射到V1，使得V1神经元对视觉刺激的反应受到奖励预期的调节。B. 抑制OFC向V1投射的活动，减慢视觉偶联学习。C. OFC的奖励预期信号对V1视觉反应的调节，改变了视觉刺激的显著度；V1视觉反应的变化，有助于OFC奖励预期信号的更新，从而促进学习。

阿片类物质镇痛的神经机制

2020年6月10日，《eLife》期刊在线发表了孙衍刚研究组的科研成果，结合遗传学操控、药理学实验、光纤钙记录、行为学实验等技术手段，揭示了在炎症性疼痛中，外源性和内源性阿片分别通过作用于表达在谷氨酸能和γ-氨基丁酸（GABA）能神经元中的mu型阿片受体（MOR）发挥镇痛作用。该研究为解析阿片系统的功能、以及深入研究痛觉调控环路提供了全新的思路。

图注：阿片镇痛机制的模型图。

该研究在孙衍刚研究员的指导下，主要由脑智卓越中心博士研究生张欣妍和窦艳侬博士完成，研究组的袁雷、李清、朱艳景和王蒙也作出了重要贡献。本项目受到了国家自然科学基金委员会、上海市和中科院的资助。

视网膜中早期视觉运动经验依赖的可塑性

2020年3月25日和2020年6月12日《PLOS Biology》和《Journal of Neuroscience》期刊分别在线发表了题为《早期视觉运动经验塑造视网膜方向选择性神经节细胞间的缝隙连接》和《早期视觉运动经验提高视网膜的运动方向编码能力》的研究论文，该研究由张翼凤研究组独立完成。这两项工作首次证明视网膜神经节细胞在发育早期具有相当程度的可塑性。

图注：左：视觉运动经验训练示意图。右上，偏好朝上运动的ON-OFF DSGCs之间的缝隙连接比例与强度与视觉经验训练的方向高度相关。右下，ON-OFF DSGCs对运动方向的编码能力提升与视觉经验训练的方向无关。

跨物种机器学习提升精神疾病的磁共振影像诊断准确率

2020年6月17日，《American Journal of Psychiatry》期刊在线发表了王征研究组与赫然课题组合作完成的科研成果。该研究整合灵长类动物模型和临床精神疾病患者的功能磁共振影像数据，国际上首次设计猴-人跨物种的机器学习分析流程，利用从转基因猕猴模型上学习的特征构建临床精神疾病患者的分类器模型，进而深入解析人类自闭症和强迫症的神经环路机制。此研究为精神疾病的影像学精准诊断提供了新证据，开辟了利用非人灵长类模型服务精神疾病的临床应用需求的新途径。

图注：（A）脑功能连接图谱的特征构建猴-人跨物种机器学习分类器；（B）在猕猴模型中学习得到的9个脑区；（C）基于9个脑区构建的跨物种机器学习分类器与基于人ASD数据构建的分类器对ASD、OCD和ADHD的分类性能ROC曲线；（D）ASD和OCD共享的神经环路内表型以及与疾病特异的临床症状相关的异常。

灵活行动选择的神经机制

2020年6月24日，《eLife》期刊在线发表了题为《次级运动皮层在灵活视觉分类行为中参与适应性行动选择的控制》的研究论文。该研究发现，次级运动皮层的行动选择信息和感觉历史信息受到任务需求的动态调控，在灵活行为中具有重要作用。该研究由姚海珊研究组完成。

图注：A. 在灵活视觉分类行为中，小鼠需要及时觉察分类标准的变化，更新自己对切换刺激的行为选择。在刺激的行为意义难以确定时，理论上小鼠可以根据行为选择的奖惩历史和感觉刺激历史做出抉择。B. M2神经元对上一次试验的刺激具有选择性，即能够表征感觉刺激历史。

痛觉信息处理的神经环路机制

2020年7月9日，《Neuron》杂志在线发表了题为《臂旁核将脊髓上行的痛觉信息直接传递到丘脑板内核而非杏仁核》的研究论文，该研究由孙衍刚研究组完成，阐明了痛觉相关信息长程传递和诱发保护性行为的细胞及神经环路机制。

图注：同侧脊髓臂旁核环路直接将脊髓上行的痛觉信息传递到丘脑板内核而非杏仁核。脊髓投射神经元同时投射到对侧（白线）和同侧（黄线）臂旁核。大部分接收脊髓输入的臂旁核神经元分布在背外侧臂旁核（红色），这些神经元主要投射到丘脑板内核（粉线），与杏仁核有少量连接（蓝色细线）。少量接收脊髓输入的臂旁核神经元分布在腹外侧臂旁核（蓝色）。

神经元产生的细胞谱系规则及谱系依赖的重编程

2020年7月23日, 国际学术期刊《Journal of Cell Biology》在线发表了题为《不同的谱系场景促使相同转录因子定向不同的视网膜神经元亚型》的研究论文，该研究由何杰研究组完成，通过揭示视网膜神经元产生的谱系规则，实现了谱系依赖的神经前体细胞重编程，为神经性致盲眼病（譬如：青光眼中的视网膜神经节细胞缺失；黄斑变性中的感光细胞丧失）的细胞治疗提供了新的思路。

图注：（A）斑马鱼视网膜结构示意图。（B）斑马鱼视网膜神经发生的六种主要细胞谱系。（C）OC1+神经祖细胞和vsx1+神经祖细胞产生不同的细胞谱系。（D）在谱系特异的祖细胞中过表达单个转录因子高效获得特定类型的视网膜神经元。标尺为10微米。

极体移植介导的核质置换非人灵长类模型

2020年7月28日，《Cell Research》期刊在线发表了题为《第一极体移植介导的线粒体替换非人灵长类动物模型》的研究论文，该研究由孙强和刘真团队完成，首次在非人灵长类动物中，利用第一极体移植技术实现了卵母细胞的线粒体替换，为该技术在线粒体疾病治疗的临床应用提供了安全性和有效性评估的重要模型。

新型光场显微镜高速记录大脑神经元活动和血流的快速动态变化

2020年8月10日，《Nature Biotechnology》杂志在线发表了题为《共聚焦光场显微镜对小鼠和斑马鱼大脑快速体成像》的研究论文，该研究由王凯研究组完成。该研究发展了一种新型体成像技术：共聚焦光场显微镜，可以对活体动物深部脑组织中神经和血管网络进行快速大范围体成像。该技术不仅适用脑组织的成像，还可以根据所需成像的样品种类灵活调整分辨率、成像范围和速度，应用在其他厚组织的快速动态成像中。

图1（上）共聚焦光场显微镜原理示意图。（下）不同于传统光场显微镜，共聚焦光场显微镜采用片状照明，选择性激发样本的一部分，在垂直照明的方向上扫描，采集到的信号被遮挡板过滤掉焦层范围之外的部分。对采集到的图像进行重构可以得到焦层内的三维信息。

《美国科学院院报》发表脑智卓越中心对小鼠皮层神经元细胞群体同步激活的研究成果

2020年8月3日，蒲慕明研究组在《Proceedings of the National Academy of Sciences》在线发表了题为《同步激活大量神经元细胞群引起全脑皮层神经元兴奋性增强》的研究文章。发现大量神经元群被重复激活会造成局部和全脑皮层神经元兴奋性增强的现象。这种增强效应需要大脑皮层同一区域或者不同区域的大量神经元被共同激活，还依赖于NMDA受体的活性，皮层-丘脑-皮层环路也可能对这种增强效果做出贡献。

图注：左边，在小鼠大脑皮层表面给予的4种不同空间分布的激光共刺激。蓝色方块表示激光刺激光斑，4种共激活刺激使用的光斑总面积相同；右边，4种不同的激光共刺激后，得到的结果趋势相同。即共同刺激之后，测试刺激诱导产生的神经元反应增强。小鼠大脑上的蓝色方块为检测刺激光斑，下方放大的圆圈中为神经元与记录电极示意图。红色为表达光激活通道ChR2的神经元，右侧方框中显示了检测光斑引起的神经电活动在共刺激前（虚线）后（实线）的比较。灰色虚线为刺激起始时间，蓝色横线为刺激时长。

家庭中有婴儿促进狨猴利他行为

2020年8月20日,龚能团队与梁智锋研究组在《Current Biology》期刊在线发表了题为《家庭中有婴儿促进狨猴利他行为》的合作研究。该研究通过新建一种客观评价狨猴利他行为的实验范式，结合清醒狨猴功能磁共振成像的方法，发现有婴儿的狨猴家庭中，狨猴父母的解救利他行为显著提高，而且婴儿叫声可以特异性激活狨猴父母相关的大脑皮层脑区。此研究提供了一个理想的研究家庭利他行为的非人灵长类动物模型，为进一步探索利他行为的神经机制提供了基础。

图注：图1（A）狨猴父母背着婴儿；图1（B）基于解救的利他行为实验范式示意图；图1（C）隔绝婴儿相关的视觉信息或者直接替换为喇叭播放婴儿叫声可引起狨猴解救行为（囚禁盒背面透明，施救者入岛后可观察到里面物体）；图1（D）配偶间互相解救时，放置一只隐藏的婴儿狨猴或播放婴儿狨猴叫声，可增加家庭中有婴儿的狨猴配偶间互相解救行为。图1（E）清醒功能核磁共振成像结果显示家庭中有婴儿的狨猴其听皮层、岛叶皮层等脑区被婴儿叫声显著激活，而无婴儿家庭的狨猴则没有显著激活。

杜久林研究组发现大脑三维血管网络形成的细胞和分子机制

2020年8月21日，《Neuron》期刊在线发表了杜久林研究组题为《Piezo1通道介导的钙离子活动调控发育过程中大脑血管的路径选择》的研究论文。大脑发育过程中，血管的路径选择对脑血管三维网络的形成至关重要。该研究以斑马鱼为模型，发现了大脑血管内皮顶端细胞分支上机械敏感通道Piezo1介导的钙离子活动的频率高低决定了顶端细胞分支的收缩或伸长的命运，从而决定血管生长的路径选择和脑血管三维网络的形成模式。

图注：（左边）幼年斑马鱼大脑三维血管网络的共聚焦显微成像图片：红色显示脑血管网络。箭头指示内皮顶端细胞。（右边）内皮顶端细胞的路径选择机制模式图：机械敏感钙离子通道Piezo1介导的高频和低频的亚细胞钙离子活性分别通过蛋白酶Calpain或一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 控制内皮顶端细胞分支的收缩或伸长，从而决定内皮顶端细胞的路径选择以及三维脑血管网络的模式。

中科院脑智卓越中心发现大脑中的调色板

2020年8月26日，《Neuron》期刊在线发表了王伟研究组与唐世明实验室合作完成的科研成果。该研究利用内源性信号光学成像、双光子成像和电生理记录等手段，详细描绘了等级化的不同视觉脑区的色调图结构，揭示了认知颜色空间形成的神经机制。该研究的创新发现，不仅在于对这些色调图结构的详细描绘和研究，更是第一次定量检测了三个不同等级的视觉皮层的色调图（调色板）与我们主观认知的色调空间位置的匹配程度，而这种匹配程度，随着视觉皮层等级的提高而显著提升。

A，光的本质是电磁波，本身并没有颜色。视网膜上的视锥细胞可将光谱信息转化为神经信号，大脑再将这些信号加工处理最终创造出我们对颜色的主观感知。B，本研究利用多种技术手段，描绘并分析了V1、V2、V4三个连续视觉脑区中的色调图。C，通过定量检测三个不同等级的视觉皮层的色调图（调色板）与我们主观认知的色调空间位置的匹配程度，研究者发现这种匹配程度随着视觉皮层等级的提高而显著提升。

中科院脑智卓越中心发现大脑中的调色板，是2020年11月Neuron的封面文章。

中科院发现谷氨酸能神经元对睡眠稳态调节的重要作用

2020年9月4日2点，《Science》杂志发表了题为《Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons》的研究论文，该研究由徐敏研究组与李毓龙研究组合作完成，利用新型遗传编码的腺苷探针，发现基底前脑区的谷氨酸能神经元对于睡眠压力的积累起着重要的调控作用，进一步揭示了睡眠稳态调控的神经环路机制，为探索睡眠障碍的治疗方法提供了重要参考。

图注：腺苷快速释放和睡眠稳态的神经调控。（A）使用GCaMP和GRABAdo同时记录神经活动和腺苷释放，揭示了睡眠-觉醒周期中小鼠基底前脑区神经活动依赖的快速腺苷释放。（B）光遗传学激活基底前脑区谷氨酸能神经元引起细胞外腺苷的大幅度增加。（C）特异损伤基底前脑区谷氨酸能神经元可降低胞外腺苷水平，并明显增加小鼠的清醒时间。

编码同类雄性特征的神经机制

2020年9月21日，《Neuron》在线发表题为《特异性感知与攻击行为相关的同物种雄性信息的下丘脑神经元》的研究论文，该研究由许晓鸿研究组完成。该研究利用钙信号记录、化学遗传操纵及脑片电生理等技术，解析了下丘脑腹侧乳头体前核通过整合嗅觉信息，特异性地编码同物种雄性信息，进而调控小鼠攻击行为的细胞及神经环路机制。

图注：处理嗅觉信息并调节雄性攻击行为的神经环路。

VNO:犁鼻器，AOB:副嗅球，v-BNST: 腹侧终纹床核, PMv:腹侧乳头体前核。

《细胞干细胞》发表中科院脑智卓越中心关于受损神经环路修复和功能重塑的研究成果

2020年9月22日，《Cell Stem Cell》期刊在线发表了题为《人干细胞来源的神经元修复环路重塑神经功能》的研究论文，该研究通过解析帕金森病模型鼠脑内移植的人多巴胺能神经元重构的神经环路，发现移植干细胞来源的神经细胞可以特异性修复成年脑内受损的黑质-纹状体环路，改善帕金森病模型动物的行为学障碍。该研究主要由中国科学院脑科学与智能卓越创新中心陈跃军研究员指导，与复旦大学附属儿科医院周文浩/熊曼研究组，美国威斯康辛大学张素春研究组合作完成。

图注：女娲补天（脑），寓意通过移植干细胞来源的神经细胞，特异性修复大脑中受损神经环路，重塑神经功能。

大脑中执行不同认知功能环路之间的协同作用

Logothetis教授已受聘为中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心-国际灵长类中心的联合主任。在最近一期的《自然》杂志上发表的研究中，Logothetis实验室利用猕猴的多种神经活动记录手段，首次证明了脑干确实是通过PGO波短暂地调节了海马脑网络事件。两种在生理上不同类型的PGO波似乎依次发生，分别选择性地影响高频涟漪和低频θ波震荡事件。两种类型的PGO波与海马区域相反的动作电位场耦合相关，促使神经元群体在涟漪和θ波震荡时期出现高度神经发放同步行为。

关于前额叶不同子区在抉择中不同功能的研究成果

2020年11月17日，《PNAS》在线发表了题为《前额叶皮层在价值抉择计算中的证据累积》的研究论文，该研究由杨天明研究组完成。研究发现在价值抉择的过程中，眶额叶皮层仅编码单个证据在视觉特征层面所携带的价值信息，而背外侧前额叶区域不仅编码了证据在运动层面的累积，还编码了单个证据从视觉特征到运动相关的信息转换。