2022年脑科学与类脑智能发展态势

脑科学是理解人和自然的“终极疆域”,现已成为重要的科学和技术前沿领域之一。该文主要从研究计划、研究进展、产品研发与产业发展的视角分析2022年脑科学与类脑智能领域的进展,并对未来发展趋势加以展望。2022年,美国、中国等国家/地区的脑计划取得较大进展;在脑图谱绘制、脑发育与脑认知功能解析、脑疾病机制探索及类脑智能技术与产品开发方面取得重要研究突破;脑疾病药物研发管线丰富,将推动相关产业快速发展。未来,借助各类新技术,研究人员将在多尺度解析脑认知功能,识别其中的功能障碍,开发出多种有效的脑疾病治疗药物;脑科学与人工智能等领域相互借鉴,推动类脑智能领域快速发展并广泛应用;数据治理和伦理安全的突破有助于脑科学与类脑智能研究的良性发展。     

脑机融合系统综述

脑机接口是生物脑与电脑或机器之间的一种直接连接通路。脑机融合计算系统是一种基于脑机接口技术,综合利用生物智能和机器智能的新型智能融合系统,其在医疗康复、生活娱乐和军事侦查等方面具有巨大的应用开发潜力。首先从信息传输的角度简述由脑机接口到脑机融合的发展趋势;其次重点阐述脑机融合系统的概念及其研究所面临的挑战,并分三个层次介绍当前若干典型相关工作;最后介绍吴朝晖课题组在脑机融合计算系统方面的相关工作。     

脑电磁场及脑内源定位的研究进展

本文从物理学的电磁场理论阐述脑电磁场的产生原理;从源的等效偶极子定位和皮层成像方法两个方面回顾了脑内源定位的研究进展;作为脑电的基础性研究,它对临床医学的发展具有积极的推动作用。     

发展性阅读障碍的脑机制——来自脑成像研究的证据

发展性阅读障碍是一种特殊的学习障碍,发展性阅读障碍的脑机制一直是研究者们关心的一个重要问题．随着脑成像技术的应用,人们在发展性阅读障碍的脑机制研究方面取得了重大进展．脑结构研究发现,发展性阅读障碍者在颞-顶叶、颞-枕叶、额下回、小脑等区域都存在一定的脑结构异常,这些脑结构异常要么表现在某个脑区的结构上,要么表现某个脑区结构的左右不对称性上．脑功能研究发现,发展性阅读障碍者出现脑结构异常的区域也大多表现出脑功能的异常．脑功能连接的研究发现,发展性阅读障碍者脑功能连接的异常不仅涉及到同侧脑区前后部分的连接,还涉及双侧脑区相应部分的连接．另外,中文发展性阅读障碍的研究发现了与拼音文字发展性阅读障碍不同的脑机制．这些研究成果为进一步揭示发展性阅读障碍的脑机制以及拓展中文发展性阅读障碍的研究提供了借鉴．     

脑组织中的胰岛素及其受体

在新发现的胰岛素敏感组织——脑的不同区域中,胰岛素含量和胰岛素受体(IR)含量有明显的差异,并且同一区域内的胰岛素含量与IR的含量之间不表现平行关系。作为IR的一个结构和功能亚型,脑IR的α-亚基和β-亚基的分子量低于肝细胞和脂肪细胞的IR。但脑IR的化学性质与后者基本相同。更为重要的是,胰岛素在脑中表现了与经典胰岛素靶组织所不同的生理功能,很值得探究。     

内皮素对失血性休克鼠脑微循环的影响及尼莫地平、川芎嗪的治疗作用

利用大鼠颅骨开窗观察软脑膜微循环的方法研究了内皮素（ＥＴ－１）１０－１０－１０－７ｍｏｌ／Ｌ对软脑膜微循环的影响以及失血性休克时软脑膜对ＥＴ－１的反应性。并用１０－７ｍｏｌ／Ｌ造成失血性休克后脑血管痉挛的模型,观察尼莫地平、川芎嗪、６５４－２对内皮素引起血管痉挛的治疗作用。１０－９、１０－８和１０－７ｍｏｌ／Ｌ３种浓度ＥＴ－１可使软脑膜小动脉、细动脉强烈收缩,收缩率分别为２７．７％、４６．８％、７８．５％,其收缩强度与ＥＴ－１的浓度有关。对静脉的作用不明显。１０－１０ｍｏｌ／ＬＥＴ－１可使细动脉轻度扩张。出血性休克时,软脑膜血流明显减慢,小动脉、细动脉管径对ＥＴ－１的收缩作用更敏感,脑组织血流明显减少。尼莫地平具有较好的拮抗ＥＴ－１引起软脑膜动脉的收缩和改善局部微循环的作用。川芎嗪也能拮抗ＥＴ－１引起软脑膜动脉的收缩,但作用较尼莫地平弱。６５４－２不能缓解ＥＴ－１对软脑膜动脉的收缩作用。     

脑血吸虫与脑肺吸虫病的MRI诊断与鉴别诊断

目的：探讨总结脑血吸虫病与脑肺吸虫病MRI影像特点,更好的指导临床旱期诊断。方法：回顾分析10例脑血吸虫及9例脑肺吸虫的MRI影像特点,总结分析其影像征象及价值。结果：脑血吸虫和肺吸虫病临床表现类似,均以颅内压增高和癫痫为主要变现。MRI扫描脑血吸虫病呈多发结节信号,周围大片水肿,增强均匀或不均匀强化;肺吸虫呈斑片样及囊样信号,周围大片水肿,增强扫描环状及斑絮样强化。结论：脑血吸虫与脑肺吸虫病临床表现类似,但MRI有特定的影像特点,可以用来进行诊断。     

脑血吸虫与脑肺吸虫病的MRI 诊断与鉴别诊断

目的:探讨总结脑血吸虫病与脑肺吸虫病MRI影像特点,更好的指导临床早期诊断。方法:回顾分析10例脑血吸虫及9例脑肺吸虫的MRI影像特点,总结分析其影像征象及价值。结果:脑血吸虫和肺吸虫病临床表现类似,均以颅内压增高和癫痫为主要变现。MRI扫描脑血吸虫病呈多发结节信号,周围大片水肿,增强均匀或不均匀强化;肺吸虫呈斑片样及囊样信号,周围大片水肿,增强扫描环状及斑絮样强化。结论:脑血吸虫与脑肺吸虫病临床表现类似,但MRI有特定的影像特点,可以用来进行诊断。     

大鼠脑内脑钠素mRNA分布的原位杂交

本工作以特异性的放射磷标记的鼠脑钠肽基因片段为探针,利用高灵敏度的原位杂交分析方法,对大鼠脑组织切片中脑钠肽的ｍＲＮＡ分布进行测定。结果表明,大鼠脑中存在脑钠肽基因的表达,其中下丘脑以及丘脑的边缘部分脑肽的ｍＲＮＡ浓度最高,杏仁核簇中浓度较高,嗅区其次,海马回和大脑皮层中浓度较低,小脑和延髓中几乎没有基因表达。     

脑机接口：现状，问题与展望

本文综述现有脑机接口技术的最新发展,并讨论这些脑机接口技术的局限和存在的问题,如高估人类个体大脑的功能、对大脑信息存储方式缺乏了解等.基于大脑信息存储的"二维码"模型,我们认为目前的脑机接口技术方案仅适用于一些简单的应用场景,如了解受测者的情绪变化、生命活动的状态,以及控制体外器械等,而无法通过脑机接口技术获取脑内诸如记忆与思考等信息的精准细节.我们也提出,向大脑输入信息的脑机接口技术有较大的发展空间,比如发展具有多种调控效果、物理和生化技术结合的深脑刺激装置,有可能广泛应用于抑郁症、癫痫等脑疾病的治疗,以及应用于短期脑力的增强.本文对于目前的脑机接口研究领域具有一定的警示和启发意义.     

脑微循环

脑毛细血管形态结构不规则、弯曲度高、三维吻合网不对称、血流速度较快、生理状态下可见“摆流”。缺氧时脑微血管直径增大、血流速度加快、血管通透性增加。脑微循环的调节较复杂,有神经因素、化学因素;血管活性肠肽(VIP)、前列腺素(PG)、P物质(SP)也参与脑微循环调节。     

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。     

脊椎动物的大脑皮层

脊椎动物的大脑皮层历经由无到有,由简单到复杂的进化过程。简要概述了脊椎动物的大脑皮层的发生,以及在各类群的差异和演化情况。     

牛磺酸对脑创伤大鼠的脑保护作用

目的:探讨牛磺酸(Tau)预处理对弥漫性脑创伤(TBI)大鼠脑皮层超氧化物歧化酶(SOD)活力、丙二醛(MDA)含量、脑含水量(BWC)和脑皮层水孔通道蛋白4(AQP4)表达的影响。方法:复制大鼠TBI模型,分为假手术组(S组)、TBI组(T组)、低剂量Tau组(L组)和高剂量Tau组(H组),用比色法测定脑皮层匀浆液中SOD活力和MDA含量;干/湿法测定BWC;免疫组织化学检测脑皮层AQP4的表达。结果:T组大鼠脑皮层SOD活力显著低于S组,T组MDA含量、BWC和脑皮层AQP4的表达显著高于S组;H、L组脑皮层SOD活力显著高于T组,H、L组MDA含量、BWC和脑皮层AQP4的表达显著低于T组;H、L组之间差异无显著性。结论:Tau可能通过清除TBI后产生的的氧自由基、下调TBI大鼠脑皮层AQP4的表达减轻脑水肿,发挥其脑保护作用。     

高气压对脑循环的影响

对32名男性潜水员和25头家兔进行了下列3项内容的观察:1)不同压力下脑阻抗图(REG)的改变;2)模拟潜水时REG的变化与颅内压(ICP)的关系;3)职业潜水员的工令对脑循环的影响。结果表明,在高气压下,REG的波幅、dz/dt和上升时间/心动周期比值均有不同程度的变化。这些指标的变化可以说明博动性脑血容量减少和血管阻力增加,提示脑血流量减少。这些变化主要是由于高分压氧的作用。     

动脉自旋标记技术及其衍生技术

动脉自旋标记成像技术利用内源示踪剂标记血液,主要用于定量测量区域脑灌注。近年来,该技术发展出多种成像采集序列,并通过结合测量大脑静脉血氧饱和度的成像技术衍生出脑氧代谢定量测量方案。本文对三种典型的动脉自旋标记序列的成像原理及动脉自旋标记的衍生技术做简单介绍。