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中华脑科学布署要依照,湖北大学经济大学系统

2019-11-07 08:49
科学家发现活体测绘脑功能连接组新方法

杭州网记者 郑维维 通讯员 柯溢能 吴雅兰

本报杭州9月23日讯 (记者 曾福泉 通讯员 周炜) 一台国际领先的超高场磁共振设备在浙江大学安装调试完毕,23日正式开机运行。这是我国继中科院之后引进的第二台磁场强度达到7个T(特斯拉,磁场强度单位)的磁共振设备,并配备了主动屏蔽等最新技术。磁共振成像是临床影像诊断中的常用技术,也是脑科学研究的有效手段,可以不造成损伤而观测人类大脑的活动。国家“千人计划”入选者、浙大求是高等研究院系统神经与认知科学研究所所长王菁(Anna Wang Roe)介绍,7T磁共振设备的分辨能力强、灵敏度高,对细微结构的观测和成像更加清晰,是帮助科学家开展脑科学前沿研究的利器。设备的磁场越强,越能排除噪声干扰,从而准确地观测功能信号。王菁教授说,目前临床使用的磁共振设备磁场强度一般是1.5T或3T,研究所此前已装备的磁共振设备也是3T的,其分辨率多为2到3个毫米。7T设备的分辨率小于500微米(0.5毫米),“以前无法发现的细微变化,现在可以比较清楚地观测到了。”浙大系统神经与认知科学研究所陈岗教授介绍,人的大脑中有超过1000亿个细胞,对单个细胞的观测研究已经比较充分,但细胞之间是如何彼此联系、传递信号,从而实现人体的种种功能,是全球科学家正在积极破解的前沿课题。“神经细胞之间通过电信号传递信息,这一过程需要消耗氧气,磁共振系统就是通过观测携带氧气的血红细胞的运行,间接地查知信息如何在细胞之间传递。这一研究手段不会带来损伤,是一个显著的优势。”陈岗表示,经过科学家的开发调试,7T磁共振设备有望进一步达到与一些需要开颅的研究手段相近的高分辨率。这台价值数千万元的高端科研设备重达40吨,高、宽均约3米,长2.6米,可容纳人体全身。为了保障运行所需的电能,专门建造了一个变电站。王菁教授表示,7T磁共振设备将首先用于视觉领域的研究,后续还会拓展到认知、注意等领域,力求清晰地揭示进入眼睛的信息如何被大脑转化为感觉和思想,并指导我们的行为。王菁教授在系统神经与认知科学领域工作已近30年,长期从事非人灵长类大脑的研究。“看到一张猴子大脑内部的照片,布满了一个个深色的小点,我就知道此时它正在看一种颜色。”她说,7T磁共振设备带来的科研进展,将有助于脑机交互、神经信号芯片等课题取得新成果,“我们希望发现并确定大脑的特定区域,施以刺激,就能加快脑卒中患者的恢复,或使脊髓受损的病人重获行动能力。”通过整合包括7T磁共振设备在内的多台磁共振设备,浙大已建成校级脑影像平台,将在脑科学、生物医学工程、计算科学等相关领域开展深入交叉研究。在美国,7T磁共振设备已开始逐步应用于临床,其高灵敏度有望更早地发现阿尔茨海默症等疾病。王菁表示,在本次引进的7T磁共振设备上取得的参数等创新成果,可供浙大各附属医院现有磁共振设备参考;依托附属医院资源,未来取得的科研成果也可较快地实现临床转化。(2015-09-24)

“我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少。”20多年前,DNA双螺旋结构发现者之一、诺奖得主弗朗西斯·克里克曾如此抱怨。时至今日,人类大脑对于科学家而言,仍然还是一个尚未打开的“黑箱子”。

信息从感觉器官输入,在脑内传递和处理,最终产生记忆、情绪和行为。然而,目前脑科学家们探索大脑奥秘,却没有完整的“大脑交通图”可以参考。4月25日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所教授王菁团队在《科学•进展》杂志上发表文章,获得脑网络研究方法的新突破。

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“有所为,有所不为”

他们借助7T功能磁共振系统的巨大成像优势,并结合红外光神经刺激,开发出红外光神经刺激功能磁共振整合技术,并首次在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组,使我们能更快速、更系统、更清晰地看清“大脑交通图”,了解信息的传递。

浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王菁教授团队

脑科学被称为是理解自然和人类本身的“终极疆域”。欧盟率先启动“人脑工程” 后,美国、日本紧随其后启动相关脑研究计划,我国为争得这场竞赛的入场券也在积极谋划“中国脑计划”。

“就好比,我们不仅能知道一个快递从杭州市浙江大学某实验楼出发到了北京市,还能知道它到的是哪个辖区,哪条街道,甚至哪幢楼的哪一楼层”,文章的第一作者徐国华介绍说。

杭州网讯大脑由一座座不同功能的“城市”和“大厦”组成,无数的神经连接就像“信息公路”将它们连接成网络。基于大脑网络,信息从感觉器官输入,在脑内传递和处理,最终产生记忆、情绪和行为。因此理解大脑就需要掌握“大脑交通图”,这就好像人们出行时必须有地图导航一样。然而,目前脑科学家们探索大脑奥秘,却没有完整的“大脑交通图”可以参考。

我国虽然可以在语音识别、脑组织显微成像等个别领域“领跑”国际,但在神经科学整体研究上,相比欧美的深厚积淀也只能算蹒跚学步,想要进入脑科学“领跑” 梯队尚需时日。

以往用于绘制脑连接的解剖学方法,通常是在大脑的几个起始位置注射染料,需要几周的时间让染料运输并给神经连接“上色”。

当地时间4月24日,浙江大学医学院系统神经与认知科学研究所王菁教授(Anna Wang Roe)团队在《科学•进展》(Science Advances)杂志上发表了一项脑网络研究方法的最新突破。

大会执行主席、中国科学院上海神经科学研究所所长蒲慕明认为,中国脑科学计划要遵循“有所为,有所不为”的原则, 既要在重要前沿领域与先进国家竞争,又要发挥自身优势,在某些领域做到世界领先,最终主导大型国际合作计划。

此次王菁团队发明的新技术结合了激光刺激和磁共振功能成像,快速地以三维形式呈现,在1-2小时的扫描中即可获得脑功能连接的初步结果,极大地方便了研究全脑尺度各脑区的响应程度,可以在单天实验中快速进行连接组的研究。徐国华介绍说:“与其慢慢地给公路上色,不如从杭州寄出一堆快递,在很快的时间内我们就可以知道它们都到了哪些城市。”

该团队开发出红外光神经刺激功能磁共振整合技术,并首次在活体脑中获得亚毫米级的脑连接组,实现更快速、更系统、更清晰地看清“大脑交通图”,了解信息的传递。

在他看来,中国脑科学研究的先天优势是种类和数量非常丰富的灵长类动物和丰富的脑疾病样本,在非人灵长类转基因动物研究及脑疾病模型研究方面,我国已走在世界前列。因此,非人灵长类脑认知科学研究是中国必须要抓住的机会。

“另外,INS-fMRI技术的好处,不只是快速,还在于方便了活体研究,大大减少使用动物的数量,并且可以对同一动物进行多次、持续的跟踪研究,例如研究大脑发育。

“就好比,我们不仅能知道一个快递从杭州市浙江大学某实验楼出发到了北京市,还能知道它到的是哪个辖区,哪条街道,甚至哪幢楼的哪一楼层”,文章的第一作者徐国华介绍说。

“国内的猕猴研究基础是我们走向全面理解人类认知功能非常重要的一步。未来要把非人灵长类大脑网络和它的结构、功能搞清楚,最终理解人类大脑功能和神经基础。”蒲慕明表示,作为模拟动物,猴类可用于研究在灵长类才出现的脑结构和功能及演化机制,为解析人类高级认知功能的神经环路结构和工作原理提供必要的实验材料。

早年,王菁受到人工耳蜗研究中启用激光代替电流激活神经元的启发,开始了这方面研究,成为最早将红外光刺激引入到大脑研究中的科学家。这一转变的意义在于红外光脉冲将能量传递到极小的空间,从而实现精准刺激,并引起连接点响应的空间特异性。

以往用于绘制脑连接的解剖学方法,通常是在大脑的几个起始位置注射染料,需要几周的时间让染料运输并给神经连接“上色”,然后牺牲动物制作脑片,最后进行非常耗时的图像重建和分析。即便这样,在一个动物中最多只能研究几个注射位点。

北京师范大学教授李武认为,猕猴和人类拥有高度相似的视觉系统,非人灵长类视觉系统是智能化信息加工的理想模型,深入揭示跨脑区、多层级、多线程的信息加工原理对于构建和完善类脑的人工智能计算模型将有重要指导作用。

他们的研究实现了高空间分辨率。当使用超高场磁共振成像时,这些响应位置可以在亚毫米级分辨率上呈现。“我们将红外光这一刺激方法与功能磁共振相结合,并在世界上首次提出了这一实验方法。”王菁说。

此次王菁教授团队发明的新技术结合了激光刺激和磁共振功能成像,快速地以三维形式呈现,在1-2小时的扫描中即可获得脑功能连接的初步结果,极大地方便了研究全脑尺度各脑区的响应程度,可以在单天实验中快速进行连接组的研究。徐国华介绍说:“与其慢慢地给公路上色,不如从杭州寄出一堆快递,在很快的时间内我们就可以知道它们都到了哪些城市。”

中国科学院上海神经科学研究所研究员王征也表示,非人灵长类模拟动物一直被默认为是与人类脑功能结构较为接近的物种,以此来构建脑疾病模型具有天然优势,不仅可以筛选脑疾病药物,也有助于探索和研发新一代生理、物理治疗手段,包括各类神经调控技术以及脑机接口的神经工程技术。

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