脑成像与脑网络

揭示脑的奥秘是人类面临的最大挑战之一。神经元是构成神经系统结构与功能的基本单位。神经元与神经元之间通过突触实现信息交互,并构成神经环路或神经网络。神经环路有局部的,也有跨脑区或长程的,甚至全脑尺度的。神经环路则是脑实现神经信息处理的基本单元。若干神经环路构成脑网络。脑网络研究已经成为脑功能与脑疾病研究领域的热点。     

编者按: 脑成像与脑网络

揭示脑的奥秘是人类面临的最大挑战之一。神经元是构成神经系统结构与功能的基本单位。神经元与神经元之间通过突触实现信息交互,并构成神经环路或神经网络。神经环路有局部的,也有跨脑区或长程的,甚至全脑尺度的。神经环路则是脑实现神经信息处理的基本单元。若干神经环路构成脑网络。脑网络研究已经成为脑功能与脑疾病研究领域的热点。 在国家自然科学基金委员会和科技部“973计划”等项目的支持下,我国科学家在这一领域已经开展了卓有成效的工作。2011年第393次香山科学会议“脑网络组及其临床应用的前沿科学问题”曾对此进行过比较深入的研讨。为促进对该领域现状及发展的了解,本期汇集了2篇述评和2篇研究论文,作为脑成像与脑网络专题发表,以飨读者。 利用9.4T功能磁共振成像(fMRI)获得轻度麻醉状态下大鼠静息状态及刺激激活的数据,通过互相关分析构建节点之间的相关系数矩阵并计算相应的网络参数,赖永秀等人报道了大鼠感觉运动系统静息态脑网络的研究成果,发现感觉运动系统在静息态时的脑网络具有小世界属性。 扩散磁共振成像(dMRI)的出现为大脑结构与功能研究提供了全新的检测手段,雷皓等报道了小动物高分辨扩散磁共振成像数据分析方法,为小动物脑dMRI研究提供了统一图像模板与完善的计算方法,对于检测神经纤维微观结构的变化,以及临床诊断,将具有极其重要的意义。 神经环路功能变化的实时在体监测是研究脑网络不可或缺的手段,曾绍群等评述了基于声光偏转器的快速无惯性随机扫描双光子显微成像技术的研究进展及发展趋势,指出该技术的进一步发展将为神经活动观测提供一种全新的方法,从而极大地推动脑科学研究的发展。 针对哺乳动物全脑的神经元网络成像,龚辉等从空间分辨率、探测范围、数据配准和成像速度等方面评述了光学显微水平全脑成像方法的研究进展,并讨论所面临的挑战。他们指出,要在全脑尺度获取突起水平分辨率的结构与功能数据,光学成像方法最为成熟。华中科技大学研制的MOST系统,率先获得了一系列高分辨率的完整大脑解剖数据集,该成果将在神经元网络的构建和脑功能与疾病研究中发挥重要作用。 我们期待更多、更好的有关脑成像与脑网络的论文发表,以更广泛和深入地促进我国脑科学研究领域的学术交流。     

脑空间信息学——连接脑科学与类脑人工智能的桥梁

提出脑空间信息学是示踪、测量、分析、处理和呈现跨层次多尺度脑空间信息数据的一门综合与集成的科学.讨论了脑空间信息学的研究内容、技术体系和关键科学问题,分析了其学科定位,展望了其应用前景.以显微光学切片断层成像为核心的全脑网络可视化技术体系的建立,标志着脑空间信息学这一新兴交叉学科日臻成熟.基于具有明确时空尺度和位置信息的神经元类型、神经环路和网络、血管网络等三维精细脑结构与功能大数据,提取跨层次、多尺度的脑连接时空特征,脑空间信息学将帮助科学家更好地破译脑功能与脑疾病,并推动类脑人工智能的发展.     

以透明脑,观澄明心——斑马鱼神经功能研究进展

斑马鱼是一种相对新颖的模式脊椎动物,具有脊椎动物保守的神经系统构造和丰富的行为模式.近年来随着在体电生理、光学成像、遗传工程等方法的建立和完善,幼龄斑马鱼因其脑部透明、结构简单的特点,日益成为从突触、神经元、环路到行为等多层次,在全脑尺度上探究神经系统功能机制的理想动物模型.本文综述了近年来利用斑马鱼在感觉信息处理、运动控制、学习与神经可塑性等方向上所取得的重要研究进展,并对新技术的开发提出了展望.随着研究思路的深化和实验手段的推陈出新,斑马鱼模式动物必将成为探索脑工作原理之利器,为神经科学研究带来更多的突破.     

采用GCaMP活体钙成像解析神经环路调控机制的研究策略及意义

大脑中的神经元通过集体行为建立相互连接,构成多种神经环路进而执行不同的功能。神经环路的研究方向即寻找构成各神经环路的神经元细胞,研究这些神经元是如何产生通讯互动以此构成特定的环路及环路本身在中枢神经系统行使的生命活动。众多研究已经证实,在解析生理或病理条件下神经环路调控机制过程中,通过实时监测神经元内重要生物传感器钙离子的变化可精确反映大脑组织内神经元活动。GCaMP活体钙成像方法有助于从单细胞水平揭示生理或病理状态下不同环路的调控机制。本文系统综述了GCaMP活体钙成像作为一种示踪技术在神经环路研究中的应用及进展,为神经环路和神经药理学的研究提供了参考依据。     

加强推进重大精神疾病的研究

正脑科学研究是人类认识自然和认识自我的最大挑战之一,此研究热潮正在世界范围内兴起.西方发达国家纷纷推出大型战略性脑科学研究计划,其中2013年美国总统奥巴马宣布启动的"脑计划"(BRAIN Initiative),此计划侧重于研发新型脑研究技术,目的在于探索大脑功能的神经环路结构基础和功能.欧洲联盟"人脑计划"所关注的是利用已知脑连接图谱数据,应用超级计算机来"模拟脑".日本启动的"脑科学与教育"计划,将脑科学研究作为国家教育发展的一项战略任务,进行面向教育理论和实际的应用     

脑功能原理:神经细胞编程和信息储存

大脑采集感觉信息、整合认知和控制行为过程,这些任务的实现依赖于神经细胞及其环路的信息储存与编程.澄清神经信息编程与储存的原理是研制拟脑计算机的基础.本文将基于神经细胞的模拟-数字信号转换、数字信号兼容式输出以及新信息储存与提取等方面的研究揭示脑认知原理.     

综述: 脑功能原理：神经细胞编程和信息储存

大脑采集感觉信息、整合认知和控制行为过程,这些任务的实现依赖于神经细胞及其环路的信息储存与编程.澄清神经信息编程与储存的原理是研制拟脑计算机的基础.本文将基于神经细胞的模拟-数字信号转换、数字信号兼容式输出以及新信息储存与提取等方面的研究揭示脑认知原理.     

基于fMRI的脑功能整合数据分析方法综述

脑功能成像在人脑信息处理和认知活动的神经关联中发挥了不可轻视的作用.从大脑功能整合出发,可以将脑功能成像数据分析方法分为探测大脑功能整合的功能连接和有效连接两方面,功能连接探究空间远离的两个脑区之间的连接,有效连接研究一个脑区对另一个脑区作用的大小.根据这两个概念,相应地可以将功能磁共振数据分析方法分为两大类.本文着重...     

老化和精神疾病引起的皮层抑制功能变化

脑神经网络信息加工的实现方式主要依赖于兴奋性和抑制性突触连接.脑内抑制性神经元数量较少,但在信息加工和神经可塑性等方面作用极其重要,而且抑制系统失常与多种脑功能障碍有关联.脑内抑制性神经环路可粗略分为皮层内和皮层间(包括前馈和反馈)两种,分别介导同一脑区内和不同脑区间的抑制作用.本文先围绕中心-外周抑制和运动方向互斥介绍了皮层间、皮层内抑制的行为表现和作用机制,然后以老化和精神疾病为例综述了脑功能障碍与视觉系统皮层抑制功能变化间的联系,希望能对相关研究工作有所助益.     

幼年斑马鱼的视觉系统与捕食行为

神经环路的研究是揭示动物行为神经机制的关键。斑马鱼作为一种低等脊椎动物, 在神经环路的研究中有着独特优势。文章描述了斑马鱼视觉系统及其下游的神经环路, 重点讨论了它们在捕食行为中的可能作用。斑马鱼捕食行为主要依赖于视觉功能, 该过程涉及到视觉-运动通路各个层次的神经环路, 包括下游的网状脊髓命令神经元、脊髓内部的运动控制环路以及一些亟待研究的功能单元。随着在体记录和操纵神经元活动技术的成熟, 以及行为学范式的完善, 对斑马鱼捕食行为相关神经环路的研究将在未来数年内迅速发展, 同时也将推动神经科学相关研究的进步。     

痒觉的中枢环路机制

痒觉是一种诱发抓挠行为的不愉快的感受。近年来,我们对痒觉信息在脊髓水平处理的分子和细胞机制已经有了较为深入的认识。然而,痒觉信息如何从脊髓传递到大脑并不清楚。我们发现,在痒觉诱发抓挠的过程中,脊髓中投射到臂旁核的神经元被激活,光遗传学抑制这条环路的活性可以减少痒觉诱发的抓挠行为。脊髓中痒觉特异的胃泌素释放肽受体阳性神经元与投射到臂旁核的脊髓投射神经元形成兴奋性突触连接。我们进一步研究了臂旁核在痒觉行为过程中的活性变化和功能。我们发现,臂旁核神经元的兴奋性与痒觉诱发的抓挠过程具有很强的相关性。整体抑制臂旁核神经元的活性或者选择性阻断兴奋性神经元的突触传递可以显著降低急性痒引起的抓挠行为,并减缓慢性痒模型的建立。我们的工作揭示了痒觉从脊髓传递到大脑的一条重要环路,并且提示臂旁核是参与痒觉信息处理的重要脑区。该研究为深入阐明痒觉信息加工的脑内环路机制提供了重要基础。     

用“增强子陷阱”技术构造并筛选果蝇UAS/GAL4系统中GAL4新品系及脑基因表达图谱数据库的开发

"增强子陷阱"技术是建立果蝇脑全基因组表达图谱及其数据库的重要方法.筛选获得新特异表达的GAL4品系,可为进一步研究果蝇脑神经在学习记忆功能提供强有力的基因工具.通过"增强子陷阱"技术来获得果蝇突变体,并与报告转基因果蝇(UAS-EGFP)杂交,用荧光显微镜观察成年果蝇脑内荧光分布,从而获得该突变体的脑基因表达图谱,在此基础上利用JavaScript来建立果蝇脑全基因组表达数据库.目前获得基因突变体果蝇2 677种,大部分在果蝇脑中有表达,其中在果蝇嗅觉学习记忆相关脑区蘑菇体表达的基因有368个,且有部分基因特异地表达在某些传导通路上.这些果蝇基因突变体库及其表达图谱为进一步研究各基因的功能及作为遗传工具来研究各脑区结构和功能提供极大方便.     

基于脑结构子网络分析的颞叶肿瘤患者认知功能研究

本研究旨在结合图论讨论颞叶肿瘤对整个大脑结构网络的影响以及患者认知功能变化情况.本文基于弥散张量成像技术,构建颞叶肿瘤患者以及正常对照组脑结构网络,依据纤维束连接长度,将整个脑网络分为3个子网络,对比分析各个子网络的网络参数全局效率和局部效率,进而对颞叶肿瘤患者大脑内纤维束的再生以及消亡情况做简单分析.并对两组受试者进行认知能力评估,分析患者认知能力与节点效率之间的相关性,从而得到患者大脑认知分布情况.研究结果显示,全局效率和局部效率在全脑网络结构中均无显著差异,子网络拓扑参数显示,仅在短距离子网络中,患者组较正常组有显著升高,局部参数研究结果显示,正常组均优于患者组,且患者认知能力普遍低于正常组.脑区内部纤维束再生以及不同功能区之间纤维束连接发生变化从而使得颞叶肿瘤患者脑结构网络发生重组,且患者在注意力、记忆功能、学习能力等方面较正常人有显著降低,患者额颞-顶叶部分脑区参与认知过程,特殊脑区信息处理效率的变化可间接反映认知变化情况.     

认知功能研究中神经振荡交叉节律耦合应用研究进展

神经振荡交叉节律耦合(cross-frequency coupling,CFC)指不同神经元集群振荡节律之间的交叉调制作用,反映了大脑在不同时空尺度的局部场电位、脑电等神经电生理活动信息的传递与交流机制,是认知神经功能研究的重要工具。本文简要介绍了CFC基本现象与类型,并综述了在动物与人类认知功能研究的典型应用,归纳了现存的主要问题并展望其未来研究动向,以期为促进相关研究与应用提供新思路。     

神经元形态重建工具的研究进展

近年来,分子标记和显微光学成像技术的系列突破,使得单细胞分辨的全脑尺度神经群落成像成为现实.然而,现有神经元形态重建工具的发展速度远远滞后于海量数据的产生速度,难以满足现阶段成像数据的分析需求.在此背景下,我们首先分析了神经元形态重建工具发展滞后的原因,简述现有半自动和全自动神经元形态重建工具的特点和最新发展,并结合现有工具的特点分析其向高通量、高准确度重建工具发展时面临的挑战.最后,我们对未来形态重建工具的发展趋势及应用前景做出展望.     

蜜蜂大脑的分区与功能

蜜蜂Apis mellifera L.是神经生物学研究的重要模式生物。尽管工蜂脑的体积不足1mm3,包含的神经元数量不到百万,但却拥有丰富的个体和社会行为,甚至还有学习、记忆、认知等高级行为。如此微小的大脑也是通过不同结构分区来实现其丰富复杂的行为。本文对蜜蜂大脑的精细解剖结构以及脑区功能研究进行了综述,为昆虫科学和神经生物学研究提供参考。     

利用嗜神经病毒跨突触追踪神经网络研究进展

解析大脑神经网络的连接图谱是认识大脑功能的前提。发展追踪大脑神经环路结构的技术,已成为神经科学研究中的迫切需求。基于嗜神经病毒发展而来的跨突触追踪技术,是揭示大脑神经网络结构的最有效手段,也是神经科学研究中发展十分迅速的领域。不同的嗜神经病毒类型或毒株,都有其独特的分子生物学特性、跨突触标记特性、改造方式。通过使用遗传重组改造的嗜神经病毒追踪神经环路,可以获得特定区域或特定类型神经元多级输出网络、输入网络及单级输入或输出网络。主要介绍神经科学研究中常用的神经病毒及相关的辅助工具病毒特性,及嗜神经病毒介导的各种神经回路标记技术。     

婴幼儿发育期全身麻醉药暴露对认知功能的影响及机制

随着医疗技术的进步,各类先进设备、检测手段不断增加,通过手术或其他有创方式救治的疾病谱不断增加。越来越多的婴幼儿需要接受全身麻醉药(全麻药)麻醉进行临床检查或治疗,而全麻药是否对仍处在发育期的婴幼儿脑结构和功能(如认知)产生影响是一个重要、复杂而又有争议的问题,因而受到神经生物学、麻醉学和儿科学等领域学者的高度关注。人群调查结果证实,发育期短期单次全麻药暴露对认知功能的影响较弱,多次全麻药暴露则会对认知功能造成损伤。基于动物的研究进一步揭示了发育期全麻药暴露的损伤机制。全麻药暴露的时间点较麻醉时长更关键,突触形成高峰期最易受全麻药损伤;在突触形成高峰期,全麻药暴露可诱导胞内钙超载、线粒体损伤、能量代谢失衡,损伤细胞功能;启动细胞凋亡,诱导过度自噬,导致细胞丢失;抑制突触相关蛋白的表达,突触形成受损,干扰突触传递过程及可塑性,影响神经环路和脑区功能活动。因此,细胞损伤、细胞丢失和神经环路功能受损构成发育期全麻药暴露损伤认知功能的重要机制。此外,有研究应用高通量组学技术对全麻药暴露引起的差异表达基因进行了初步筛选,为深入研究全麻药损伤的基因表达及调控机制提供了新思路。本文从整体行为学、神经元网络、细胞损伤、基因表达及调控和脑功能代谢等方面对发育期全麻药暴露影响认知功能及相关机制的研究进展进行综述,希望能为临床婴幼儿全麻方案的制定提供理论依据。     

成年鸟类中枢神经系统的可塑性

近年的研究表明，神经元再生能够发生在高等脊椎动物鸟类的成体脑中。再生神经元前体细胞产生于端脑的室带区，在室带区星状胶质细胞长纤维的引导下能定向迁移到端脑的不同脑区并在那里分化成神经元。推测新生神经元的产生与鸟类的鸣啭、学习和记忆等功能有关。