离体神经元网络中的集体性回响活动

通常认为, 大脑进行认知活动时神经环路的集体性回响是“即时”记忆的存储形式. 然而, 由于大脑神经环路庞大的复杂性, 这种回响活动一直鲜有实验上的证据. 近期研究工作利用离体培养的神经元网络中对回响的性质进行了探索, 揭示了其新的动力学特性和内在细胞机制. 结果表明, 离体培养的神经元网络可以有效地用于对神经环路的活动进行机理性分析研究.     

音乐句法的加工

音乐句法是指将离散的音符元素结合成层级结构的原则.现有研究对句法加工机制产生了较多争议."认知主义"提出整合句法需要借助基于长时记忆的图式驱动,"物理主义"则认为加工句法更多只需借助基于短时记忆的知觉驱动.两者从理论模型、行为研究和认知神经层面论证了各自的观点.未来研究有必要进一步探讨大尺度层级句法结构的加工能力及加工机制、分离知觉驱动与图式驱动的机制效应、增强脑电和脑成像技术的应用以及关注句法结构与情绪的关系.对音乐句法加工的探索有助于揭示人类高级认知智慧的特性,同时,具有重要的临床意义.     

抑郁的大脑：抑郁症的神经生物学研究和抗抑郁新药研发

近年来,基因、分子、细胞、影像等实验证据表明抑郁症是和应激密切相关的反复发作的慢性脑疾病,其主要临床症状涉及情绪、奖赏、认知等高级脑功能。随着抑郁症神经生物学研究的深入,基因与环境相互作用导致神经可塑性改变将成为揭示“抑郁大脑”的重要途径,为抑郁症的预防与治疗提供新思路和新途径。     

小虫春秋：果蝇的视觉学习记忆与认知

视觉认知是脑科学领域中的重要研究方向,是揭示 “脑是怎样工作的”,“物质的脑是如何产生精神的”的重要路径。近年来,科学家们以果蝇为模式生物,从基因脑行为认知相结合的角度,系统性地开创了果蝇的视觉“认知”研究,如学习与记忆、注意、跨模态记忆、特征提取和泛化、两难抉择、抉择的神经环路等。即使果蝇这样相对简单的脑,在很多方面都展示了令人惊奇的“理性”行为。看来,那种认为只有某些独特的唯一的脑机制才能实现人类的理性的想法是不成立的。我们期待,在探索“智与愚”的神经生物基础方面,果蝇会对我们继续有所帮助。     

神经科学家利用蝙蝠寻求解开大脑三维空间导航的秘密

揭开人和动物大脑方位感知与空间导航的秘密,一直是一个令人着迷的问题.科学家通过对大鼠和蝙蝠等动物近50年的研究,使我们对大脑二维(2 dimension, 2D)导航的神经基础有了较清楚的认识.研究发现,在海马和内嗅皮质等脑区有专门的导航细胞,包括位置细胞、网格细胞、边界细胞、头朝向细胞等.这些细胞及它们的"细胞域"可为2D空间导航提供"空间认知地图"或"心灵环境地图"和"指南针".然而,人和大量动物都生活在三维(3 dimension, 3D)空间中,大脑如何完成3D空间环境下的定位和导航?近年来,通过对爬行和飞行状态蝙蝠的研究,发现参与2D导航的那些细胞在3D空间下反应特性和模式均发生明显变化;蝙蝠属于社会性和群居性动物,研究还发现在其海马内存在社交位置细胞和目标方向角调谐细胞,分别负责获取环境中其他蝙蝠位置的踪迹信息以及目标的方向信息.由此可见,脑内这些空间定位细胞构成了导航的神经基础,并经过复杂的功能整合,构成了一个位于脑内的"微型全球定位系统",且在细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理.本文简要介绍了Nachum Ulanovsky等人近些年对蝙蝠大脑3D导航的研究.     

社会经济地位对大脑结构与功能的影响

社会经济地位(socioeconomic status, SES)与大脑结构和功能的关系对于理解社会经济因素对心理行为的影响以及预防大脑和心理疾病具有重要意义.在过去十多年中,研究者使用认知神经科学的方法对SES与大脑的关系进行了探索,发现SES与大脑结构和功能之间可能存在相关性,但这些研究的结果却不完全一致.本文从大脑结构与功能两个层次出发,按照认知与情绪两大主题对SES与大脑关系的认知神经科学研究进行回顾,在此基础上对比不同研究结果的异同之处.结果发现:(1)在脑结构上, SES水平与海马体(主要负责记忆)、前额叶(参与执行功能等高级认知过程)及皮层下结构(主要包括参与情绪加工的杏仁核等结构)可能存在相关;(2)在脑功能上,不同SES水平的个体在进行执行功能、学习和记忆等相关任务时,大脑活动模式可能存在差异,同时正性与负性情绪刺激所引发的大脑活动在不同SES水平的个体上可能有所差异.值得注意的是, SES与大脑关系的研究中还面临着诸多挑战,如SES测量的复杂性和全面性、大脑结构与功能自身发展和测量的复杂性、SES影响大脑机制的多层次性等.未来的研究需要应对上述的挑战,同时考虑文化差异等影响,从而能够更准确地理解SES与大脑的关系,并为中国社会治理政策提供指导.     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

提取意向对未再认词提取过程的影响

当人们不能提取先前学习过的项目信息(项目记忆)或者学习情境的信息(来源记忆)时, 会表现出外显记忆错误. 为了探讨提取意向对项目信息和来源信息的影响, 采用电生理记录研究方法, 对再认测验中出现的提取错误进行了测量, 结果发现, 再认错误诱发的大脑电活动与再认正确激发的大脑电活动有显著差异. 与项目记忆错误相比, 来源记忆错误诱发的大脑电活动起始更早, 分布更偏向于大脑前部. 提取意向调节认知神经加工, 并导致提取成功与提取失败神经机制的不同.     

基于平面晶体管型器件的突触可塑性模拟

在数据信息膨胀的大背景下,传统的冯诺依曼体系结构的计算机早已无法满足灵活处理和存储大量信息的需求.与之相比,大脑高度并行的非线性信息处理能力展现出了明显的优势.突触是大脑神经元之间信息交换的连接渠道,突触可塑性是生物学习和记忆的分子基础,为了模拟大脑,必须研究出具有生物突触功能的物理器件,从而实现能够在功能上模拟类脑行为的神经形态电路.研究表明,对于场效应晶体管,把具有可调忆阻特性的场效应晶体管的传导沟道和栅极作为信号传输和调节模块,可以分别对应于生物突触中的离子传导和神经递质释放的过程;对于电子型晶体管,可以利用电操作模式中的OFF(ON)状态的弛豫倾向来模拟生物兴奋(抑制)过程,因而在晶体管中可以实现对突触功能的模拟.本文总结了近年来研究人员用平面晶体管结构的突触器件模拟的突触可塑性功能,包括:短时程突触可塑性(包含双脉冲易化和双脉冲抑制,动态过滤(高通滤波/低通滤波),处理时空关联的脉冲,适应等)、长时程突触可塑性、短时程向长时程的转变、放电时间依赖可塑性、分流抑制等,详细说明了这些功能的特点及模拟方法并对其未来发展进行了展望.     

多巴胺对创造性的影响及其大脑机制研究进展

创造性作为人类的一种高级认知能力对推动社会发展和科学进步有重要的作用,而多巴胺作为一种重要的神经递质对人类的认知活动起着重要的调节作用.当前关于创造性能力和多巴胺的关系探讨也越来越热,但是二者之间的关系及其作用机制还不甚明晰.因此,本文从多巴胺的视角对创造性的研究进行了梳理评述,主要包括:(1)从行为研究来看,运动和积极情绪等可以促使大脑中多巴胺的分泌,从而提升创造性表现;(2)从生理研究来看,用来治疗帕金森病的多巴胺激动剂能够增强患者的艺术创造性,而用来治疗精神分裂症的多巴胺拮抗剂则会抑制创造性产生;(3)从神经科学研究来看,与创造性相关的脑区包括了黑质-纹状体通路、中脑-边缘系统通路和中脑-皮质通路这3条重要的多巴胺奖赏神经环路;(4)从遗传研究来看,作为多巴胺重要遗传基础的儿茶酚胺氧位甲基转移酶(COMT)与创造性潜能有关.总之,本文通过对大量研究的整合分析,从多巴胺的角度对创造性的认知神经机制进行系统梳理,并就该领域当前研究的不足和未来趋势进行了总结和展望.     

鸟与人 大脑构造方式相似吗

英国的一项研究表明,人类与鸽子的共同点很多,比我们之前所知道的要多很多。该研究显示,人类和鸟类的大脑构造方式是相似的。伦敦帝国学院的一位研究员和他的同事研发出了典型的鸟类脑图,从该图谱可以看到大脑的不同部位是如何连接在一起进行信息处理的。研究小组通过比对鸟类与不同哺乳动物(如人类)的脑图发现,两者在对诸如长时记忆和问题解决等高等认知具有重要作用的区域与大脑其他部位的连接方式上是相似的。而我们所知道的是,亿万年来,哺乳动物与鸟类的大脑是沿着各自不同的方向进化的。     

视觉工作记忆内容维持的大脑神经机制

视觉工作记忆指短暂维持不在视域内信息并进行活跃认知加工的过程,在人类高级认知活动中具有极其重要的作用.但是,目前关于人类大脑在视觉工作记忆维持阶段对多特征复杂客体(例如,面孔信息和房子信息)信息的认知加工机制还没有得到深入的研究.另外,对不同的客体信息进行维持是否对应不同的认知加工模式,以及视觉工作记忆维持阶段负荷效应的神经基础还没有得到广泛的研究.因此,本研究从面孔信息和房子信息的视觉工作记忆任务出发,采用行为实验和功能核磁共振技术探究视觉工作记忆维持阶段中对不同记忆内容的行为表现、大脑激活强度、视觉皮层解码机制及其负荷效应,为大脑功能方面对于视觉工作记忆内容的表征提供具有价值的影像学依据.研究结果表明,被试在对复杂客体的视觉工作记忆任务中表现出视觉工作记忆容量的有限性和负荷效应,可以通过双侧海马旁、双侧顶内沟的激活强度和V4、双侧梭状回、双侧颞上沟的信息解码正确率区分视觉工作记忆维持内容.另外,双侧壳核的激活强度则体现了视觉工作记忆负荷效应.     

脑机接口——脑信息读取与脑活动调控技术

脑机接口(brain-computer interface, BCI)技术通过建立大脑与外部设备之间直接的信息交流和信号控制通道,实现脑思维活动与外界通信和交互作用,从而进行脑信息读取、外部执行设备的控制,以及脑活动的调整和控制.脑机接口是一种多学科融合的交叉技术,涉及神经科学、计算机科学、通信与信息处理技术、人工智能技术等,展现了广阔的发展和应用前景,包括医疗与康复、科学与教育、自动驾驶、工业控制等.同时,脑机接口技术的发展和应用面临重要的技术以及法律和伦理方面的挑战.本文简要介绍脑机接口技术的基本原理和组成,从信号获取、神经解码和认知脑机接口等关键技术角度阐述了国内外研究现状:从技术角度,讨论了脑机接口技术面临生物兼容性、通信速率、信号获取和处理、神经解码、安全等方面的挑战;从伦理和法制角度,指出该技术面临隐私、自由意志、身份认同和社会公平等方面的挑战.最后,展望了脑机接口技术未来的研究方向和应用前景.     

创造性的大脑网络连接特征与研究展望

创造性是人类智慧的重要体现,其复杂的认知加工依赖于多个脑区的相互作用而非受单一脑区的调控.人脑连接组学的发展为深入揭示创造性的脑网络基础提供了可能,创造性的脑机制研究也正逐渐从局部脑区拓展到脑网络连接层面.功能网络研究表明,默认网络、突显网络、额顶控制网络的协作模式在创造性思维各阶段发生着动态变化;这些网络在静息状态下的功能协作也与创造性有密切联系,高创造性个体的大脑自发性神经活动具有灵活易变的特点.结构网络的证据进一步确认了默认网络与额顶控制网络分别负责不同类型的创造性认知能力,如远距离概念的检索生成与组合评估.基于创造性思维的双加工模型,已有研究认为,默认网络主要通过自发性联想在记忆系统中检索和提取新颖信息,控制网络负责根据任务要求对当前观点进行评估和选择,突显网络可能根据联想内容的新颖性负责默认网络和控制网络之间的灵活转换.未来研究需要不断整合创造性领域的数据资源,确定创造性的主要成分及对应的测评工具,结合多模态脑影像揭示创造性的功能网络动态协作模式及结构网络的独特作用,并利用多组学多模态的大数据优势实现对个体创造性水平的精准预测评估,探索创造性培养的有效途径和大脑可塑性机制.     

记忆移植

当我们谈到记忆时,可以意指许多东西.如果只为应对眼前,我们可以利用一些短期记忆信息,如是否想要喝一杯,这些记忆是大脑脑电活动和化学物质活动的短暂变化,随着我们的大脑思绪游移到其他方面,这类记忆很快就会淡化甚至消失.长期记忆则正好相反,许多长期记忆甚至可以持续一生.     

以多巴胺为功能单体的生物大分子印迹聚合物

分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer, MIP)是指功能单体与模板分子组装后发生聚合,通过移除模板分子得到的聚合物.与天然抗体相比, MIP具有制备简单、成本低廉、稳定性好、可重复使用等优点,因此被广泛地用于分离富集、化学传感、药物运输及生物催化等领域.近年来,分子印迹技术的发展促进了以生物大分子特别是蛋白质为模板的印迹材料的设计、制备和应用研究.由于生物相容性好,聚合反应条件温和且容易调控,多巴胺被用作功能单体在固体基质表面通过自聚合反应印迹生物大分子.本文综述这类分子印迹聚合物的设计和制备方法,并介绍印迹材料的性能表征和应用;重点论述以蛋白质为模板的印迹聚合物,同时兼顾以其他生物大分子如多肽、低聚糖以及病毒、酵母细胞等直接作为模板的印迹聚合物的合成和表征;最后讨论该领域的未来发展趋势和存在的挑战.     

面向具身智能的网格细胞群表征空间认知方法

与基于结构化场景建模的传统导航算法不同,哺乳动物通过内嗅皮层和海马体中多种神经细胞的分工协作构建认知地图,实现了适用于非结构化场景且具有强鲁棒性、泛化性的导航.随着认知神经科学、人工智能等领域的发展,类脑导航在近年来受到了广泛的关注,成为实现“具身智能”中机器人环境认知与导航功能的可行方案.本文结合大脑空间认知机理以及同时定位与地图构建算法,提出了一种基于网格细胞群表征模型的移动机器人认知地图构建系统.在该系统中,网格细胞模型与位置细胞模型协同配合完成了位置表征、路径积分的功能.基于公开真实数据集的实验,验证了该系统在认知地图构建任务中的有效性与网格细胞群表征模型的度量特性.此外,这种脑启发式的认知地图构建系统为进一步揭示人脑的空间认知机理提供了有效的实验环境.     

问与答

?问:人脑的基本功能有哪些? 众所周知,大脑是人体最为重要的器官。简单地说,人的思维、情感、记忆、学习等高级活动均是由大脑控制的,此外, 人的呼吸、心跳、摄食、感觉功能和运动功能等也是由脑控制的。大脑可以分为脑干(包括延髓、脑桥和中脑三部分)、间脑、小脑和端脑(包括左右大脑半球)。     

学习和记忆的突触模型:长时程突触可塑性

人类大脑是由上千亿神经元相互连接而组成一个高度复杂的神经网络,是认知、学习和意识等高级功能的重要基础。神经元之间通过特化的连接结构--“突触”而相互通讯。外界输入触发的神经元活动可特异性地持续改变突触的结构和功能,这种神经活动依赖的突触变化称之为长时程突触可塑性。大量实验证据表明突触可塑性是大脑学习和记忆的分子细胞学机制,了解突触可塑性的机制对阐明中枢神经系统性相关疾病（如老年痴呆症、药物成瘾等）的机理具有重要意义。本文简要地小结了长时程突触可塑性研究中的基本发现和新近进展。     

抑郁症认知功能损伤及异常脑机制研究进展

认知损伤不仅是抑郁症患者的重要症状,也阻碍着抑郁症状的消除和疾病的整体康复,因此,探讨抑郁症认知缺陷及异常脑机制对了解抑郁症的病因、诊断和治疗意义重大.本文从执行功能、注意、记忆、反应速度等维度讨论抑郁症认知功能缺陷,并阐述其背后的异常宏观脑活动和微观分子标记.未来研究我们建议借助心理认知任务定量评估抑郁症认知功能,同时采集患者多模态脑影像和神经生理数据,通过多维数据计算建模分析,探寻抑郁症潜在生物标记,进而对抑郁症进行生物亚型分类,为深入理解抑郁症发病机理和个体化诊疗提供科学依据.