【转帖】科学时报：关注脑科学（下）..

【转帖】科学时报：关注脑科学（下）

神经环路：脑认知领域可能的突破方向 ——关注脑科学（下）
一个正在开展的视觉探测实验

3月31日，中科院生物物理所，小白鼠神经环路实验现场。

这是一间用两层黑帘子遮蔽得严严实实的漆黑房间，给人一种神秘的感觉。乍走进去什么也看不见，几分钟后，屋子里的物件渐渐隐现。靠一侧墙面有一张约1米宽的长条形黑色台子，上面摆放着各种器具，台子底下有几个小的方形铁丝框，框里装着刚刚出生的白鼠，屋子里的人能听到它们时断时续的“唧唧”声。台桌对面是一架放大倍数为40倍的荧光显微镜，它连接着两台计算机。“一台用来记录数据，一台用来显示显微镜下物品经放大后的图像。”做实验的女研究生说。

关于这个实验，她介绍道：“我们找白鼠视网膜上4个方向的运动细胞。”计算机荧屏上显示出一个个大小不一的圆圈，外行无法看出这里有什么内容。

“为什么在这么黑暗的环境中找？”

“刚出生的白鼠眼睛曝光后，视网膜细胞就改变了，我们需要对比白鼠睁开眼睛前后的视网膜细胞的差异。有一组我们已经注射了药物。我们一般上午做准备工作，中午取出白鼠的视网膜，下午开始实验。如果顺利，大约午夜前后可以完成。”计算机的右侧不断发出白光，给显微镜下白鼠视网膜电刺激。这个刺激由另一个学生操作。

过了一会儿，她表示需要暂时停顿一下，“效果不太好，需要重新清洗一次仪器后再继续，显微镜下这个白鼠的视网膜坏了。不过，我还有备用的。你可以去旁边实验室继续参观，他们也在做类似的实验”。

在这层楼里，这样的小黑屋还有若干个，他们正在研究白鼠视网膜在出生后不同时间段内的差异。这是何士刚研究员带领的研究组正在开展的活动。他说：“动物只要睁开眼睛，视网膜上的细胞就有运动方向。我们想知道，在动物睁开眼睛前是否有辨别方向的细胞存在。”

家鸽脑内的视觉秘密

在生物物理研究所，研究视觉神经回路的还有王书荣研究员。与何士刚的研究对象不同，他用的是视觉研究中的鸟类代表——家鸽。

他介绍说，家鸽具有非凡的导航本领，不论拿到哪里放飞，它们都能不远千里飞回家，但它们导航使用的感觉信息尚不得而知。家鸽具有灵敏的视觉和较强的认知能力，其视觉通路也基本与哺乳动物相似。这就是王书荣选家鸽作为研究对象的道理。

近年来，他们研究了眼睛运动及其对视觉感知影响的脑内神经回路，取得了有重要意义的创新性成果。在日常生活中，人眼大概每秒钟做3次快速跳动（扫视），以搜索或注视感兴趣的目标。“此时，虽然物像飞速扫过视网膜会造成景象模糊和摇曳，但我们看到的世界仍能清晰而稳定。为什么会这样呢？”

王书荣和研究生把清醒的家鸽固定在立体定位仪里，将比发丝还细的微电极尖端插入其脑内，以记录单个神经元的放电信号，同时用较大的眼电极记录眼睛的运动轨迹。在用计算机提供各种视觉刺激的情况下，他们在5个脑区里记录到300多个神经元的放电活动，比较了它们的放电变化与眼睛运动之间的时间关系，并鉴定了这些脑区间的神经连接通路。

结果发现，这些脑区构成了一个完整的扫视压抑神经回路：脑干中缝区有两类产生扫视的“全向暂停神经元”，它们在向“下游”动眼神经核团发送指令的同时，也将该指令的副本或伴随放电发送给“上游”两个视动震颤核团（负责眼睛慢速跟踪和快速回跳的脑结构），并通过丘脑使大脑的视觉活动在扫视开始前即受到压抑，直到扫视结束后才得以恢复和增强，从而保证了扫视期间的视觉世界清晰而稳定。

简言之，脑干在指令眼睛开始扫视前，即将指令副本发往视觉脑区，使之在扫视期间“视而不见”。该成果的论文发表在《自然—神经科学》上，被认为实验设计巧妙，创造性地揭示了产生扫视压抑的伴随放电神经回路，并被当前热门的生命科学评价网Faculty of 1000 Biology的3位美国科学家和1位加拿大科学家一致评为“必读的新发现”。

王书荣和研究生们还发现，中脑上丘有3类神经元能够计算迫近目标与动物的碰撞时间：鸽子大脑一类细胞在碰撞前恒定时间开始反应，另两类神经元开始反应的时间与迫近目标的大小和速度有关。他们推测，这可能是预警神经元。他们将目标迫近信息传给鸽子的大脑，并传给运动系统，以使动物及时躲避危险或截获目标。同时，丘脑神经元通过计算得知与大物体的碰撞距离，以确保躲避障碍或安全降落。在物理学上，运动由方向、速度和加速度来描述，他们的实验证实，鸽子脑内有群神经元能编码视觉运动的所有3个物理量，并将论文投向了《神经科学杂志》。该杂志认为，这是首次揭示视觉神经元的加速度反应，为视觉运动研究增添了崭新而坚固的知识，并被Faculty of 1000 Biology专家评为“新发现”。

此外，王书荣课题组还发现，鸽子大脑中有些神经元兼有兴奋性感受野和抑制性感受野，且两者的方向选择性恰好相反。这样，通过兴奋性感受野的运动一旦停止，神经元产生的抑制性后反应即可被“误解”为有物体在相反方向通过抑制性感受野。这一发现揭示了所谓“瀑布错视”的神经基础：你如果目不转睛注视飞流直下的瀑布几十秒钟，然后转而注视岸边岩石草木，似乎会看到它们在朝上飞动。传统认为，瀑布错视是由神经元疲劳或适应所致，而他们的实验发现，这种错视起源于具有方向选择性相反的两种感受野的神经元。这个发现不仅揭示了运动错视的成因，还将单个神经元的生理性质与心理物理现象建立了联系。论文在《生理学杂志—伦敦》发表后，英国生理学会在《生理学新闻》上发布了特约新闻。

所谓感受野，指每个视觉神经元都只对一定区域里出现的特定刺激发生反应，该区域就叫这个神经元的感受野。各个脑区和不同神经元的感受野，在形状、大小、组织结构和功能性质等方面千差百别，感受野的性质、形成和调控，便成为视觉研究的热点之一。

王书荣课题组还发现，家鸽上丘神经元具有同心圆感受野，其中央兴奋区受峡核大细胞核团调控，外周抑制区则受峡核小细胞核团调控，峡核神经元的兴奋性感受野呈长条形，并由排列成线的众多上丘圆形感受野汇聚组成，这些上丘神经元也排列在同一细胞柱里。结果，这3个视觉中枢便形成相互调控的神经回路，并可能构成所谓“胜者为王”神经网络，即如果视野里同时出现几个相互竞争的目标时，动物只注意其中一个重要目标。他们的这项成果曾获中国科学院自然科学奖一等奖和二等奖，其总结论文被国际《脑研究评论》选作封面文章发表。

热门课题与国家科研计划

神经环路研究已成为脑认知科学领域的热门课题。

近20年来，神经科学在分子和细胞水平上均取得了突飞猛进的发展，在系统水平上的整合研究也取得了许多重要进展。“然而，我们仍然不能对神经系统的工作原理进行有效描述。其根本原因之一，是尚未能建立从微观分子、细胞水平研究到宏观整体研究的密切联系，而神经环路正是联系分子细胞功能与整体行为功能之间的桥梁。目前，缺乏对功能特定的神经环路的形成与修饰、信息编码、加工与处理及其与行为之间关系的深入了解，从根本上阻碍了对大脑工作原理的深层次理解。也正因此，神经环路的研究近年成为脑认知科学的一个热点，它可能是脑认知研究的下一个突破口。美国霍华德休斯研究院一直以来以支持分散在各科研机构的个人为主，但最近他们成立了神经环路研究所。”何士刚说。

目前，他的实验室里的研究课题大部分与神经环路相关。不久前，何士刚参与编写了一个他自己并不能申请的2009年国家自然科学基金重大项目：神经环路的形成及其信息处理原理。该项目的申请指南中这样叙述：脑科学是21世纪最重要的科学前沿之一。理解脑和神经环路信息加工和处理的工作原理，不但对理解人类自身高级精神活动具有重要理论意义，同时也将对信息科学和人工智能领域产生跨学科的、革命性的影响。随着现代生物医学的发展，人类平均寿命逐年延长，神经系统疾病已经成为困扰老龄化社会的顽症，理解神经环路的信息处理原理也是实现保护脑的前提。

人类大脑由近100亿个神经细胞组成，可粗略地分为感觉、运动和整合系统，每个系统又可分为若干子系统。如感觉中的视觉、听觉、嗅觉、躯体感觉等等，其功能的实施依赖于不同类型、处于神经系统不同部位的细胞之间形成的精确联系。这种具有明确功能意义的、神经细胞之间的纤维联系就是神经环路或神经网络。

这一重大项目的研究主要包括3个方面：神经环路的结构、发育与修饰；神经环路的信息处理及行为；神经环路与电子回路的桥接与信息交互。项目支持经费为1000万元，资助年限从2010年1月～2013年12月。目前，项目指南已在国家自然科学基金官方网站上发布，研究人员正在申请之中。

脑成像技术的比较

中科院昆明动物所研究员马原野一直研究灵长类动物，尤其对其前额叶所进行的“认知地图”研究已得出非常有意义的结果。他除了使用电生理方法研究猴子之外，更期待着使用正在蓬勃发展的无创新技术——脑成像技术来进一步了解其认知机理，为此，他正在筹建一个新的实验室。他特别为《科学时报》记者介绍了几种脑成像技术的发展历程以及相互间的比较。

X光与CT

自20世纪早期X光透视技术建立后，人们可以“窥视”身体的内部。但是X射线在大脑上的应用具有局限性，因为大脑外部被厚厚的颅骨所包裹，用X射线很难看见脑组织。上世纪中期CT技术电脑断层扫描（Computed Tomography）的发明，革命性地解决了这一问题。

CT也是用X射线照射人体。由于机体组织或器官拥有不同的密度与厚度，对X射线产生不同程度的衰减作用，经过计算机辅助，对这些信号进行重构，可形成不同组织或器官的灰阶影像对比分布图。借助电脑的辅助运算，其图像可呈现为断层切面且分辨率很高。利用这个原理，人们便可“绕过”厚厚的颅骨，看见脑组织的结构。

E-CT与SPECT

与CT技术相似的另一种成像技术叫做E-CT（Emission Computed Tomography）技术，是单光子发射型计算机断层仪。E-CT成像先让人体接受某种放射性药物，这些药物聚集在人脑等器官中，或参与体内某种代谢过程，再对器官组织中的放射性物质的浓度分布和代谢进行成像。因此，利用E-CT不仅可得脑的解剖图像，还可得到生理、生化、病理过程及功能图像。

E-CT包括SPECT和PET。SPECT也称为单光子发射计算机断层摄影，与PET相比，成本较低。PET全称为正电子发射计算机断层扫描，其原理是将正电子同位素标记的药物由静脉注入人体后，发射的正电子与邻近组织的电子发生作用，产生一对伽马光子。扫描探头探测到信号后，计算机对信号进行处理并形成图像。由此，PET可以观察到大脑葡萄糖代谢异常的特征。PET技术已广泛应用于神经精神疾病和脑功能成像，为精神疾病的功能成像提供了一种非常有效的检测手段。

CT与NMR

CT脑成像技术的缺点是成像的空间分辨率较低，且最大的弱点是只能观察结构，并不能观察功能。E-CT虽然能观察功能，但空间分辨率依然较低。而核磁共振技术（NMR）能较好地解决上述问题。NMR可以依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，绘制成物体内部的结构图像。在NMR基础上又形成了MRI技术。

马原野表示，几种脑成像方法共同的特点，即以计算机为基础实施图像信息处理。E-CT从分子水平出发，通过检查脑组织局部生物化学的变化来检测脑功能，这是CT、MRI等影像技术所不及的；但是E-CT所提供的图像是生理代谢的图像，在临床解剖学意义上它无法与CT、MRI等影像技术比较。另外，E-CT、CT检查是放射检查，从某种意义上说，这种检查对人体健康会带来一定的不良影响，而MRI成像的磁场强度范围内，对人体健康不致带来不良影响，属于非损伤性检查。所以，MRI是最理想的检测方法，也是最理想的研究手段。（王静 张思玮／整理）