记忆是人类大脑储存信息和反馈信息的能力，人类之所以能够认识世界和改造世界，关键在于人类大脑有卓越的思维能力和记忆能力。Elon Musk所期望的有着记忆外挂存储功能的人类增强（超人类）能否实现？大脑的记忆存储位置在哪儿？大脑如何进行记忆分类检索和控制？ 近日，复旦大学和约克大学的合作团队研究发现了与控制记忆提取相关的脑区，这些脑区辅助大脑完成认知控制功能。 4月9日，相关研究成果以《不同需求的认知控制揭示了语义记忆和情景记忆提取共享的神经机制》（“Varying demands for cognitive control reveals shared neural processes supporting semantic and episodic memory retrieval”）为题发表于《自然》杂志子刊《自然·通讯》（Nature Communications）。大脑的长期记忆分为外显记忆和内隐记忆，其中外显记忆包括语义记忆和情景记忆两部分。语义记忆指对一般事实的概念性记忆，是一种客观性的知识，与个人经验无关，而情景记忆记录生活中所发生的特定事件，与个人经历息息相关，两种记忆共同帮助我们了解并回应周围的世界。数十年的临床和实验研究表明，语义记忆和情景记忆存储于两部分相互独立的大脑区域。 研究团队设计了两组相互独立的实验。第一组实验使用功能性磁共振成像技术，发现大脑在提取语义记忆和情景记忆时，一部分共同脑区的激活程度增强。研究结果显示：左侧额下回（left inferior frontal gyrus,LIFG）、前岛叶皮层（anterior insular cortex，aINS）都参与了弱关联的语义和弱编码的情景记忆的提取。第二组大规模的个体差异性实验进一步发现了一个共用的脑区环路，其中左侧额下回和前岛叶皮层与作为默认网络的核心区域腹内侧前额叶皮层（ventromedial prefrontal cortex，vmPFC）的功能连接减弱与两种记忆提取的更好表现有关。这两组实验结果揭示了辅助语义记忆和情景记忆提取的共有神经环路，从而使得大脑能够灵活地提取功能不同的长时记忆。 “记忆使我们理解世界并且更好地与周围的世界灵活互动。尽管在大多数情况下，我们经过记忆编码可能足以应付当前的工作。比如说记得为即将到来的度假旅行准备沙滩巾，但在为商务旅行整理行李等其他情况下，这种强烈的记忆可能无关紧要。因此，我们需要严格控制相关记忆的检索，以解决不同情况下的不同任务。我们的结果表明，这种控制过程可能在语义记忆和情景记忆类型之间共享。” 文章第一兼通讯作者、复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员Deniz Vatansever介绍，该研究表明，大脑中有一组共享的系统可能对日常人类使用语义记忆和情景记忆的提取起着重要控制作用，也就是说，我们的记忆系统可能依赖于共享的神经机制。 文章共同作者约克大学心理学系Elizabeth Jefferies教授认为：“为了产生适当的思想和行为，我们必须以高度灵活的方式利用我们的记忆库。这项新研究着重展示了大脑内的控制过程，发现大脑如何能够对不常用的词汇或记忆不深的个人经历进行记忆和编码。这种对记忆的控制使我们能够发挥创造力，并随着目标或环境的变化而进行适应。” 图1与控制提取语义和情景记忆相关的神经回路： a)研究显示，无论是语义记忆还是情景记忆，提取弱关联记忆的表现程度与左侧额下回/前岛叶皮层（LIFG/aINS）团块到腹内侧前额叶皮层（vmPFC)的低连通性呈正相关。 b)使用Neurosynth数据库对该回归模型涉及的认知术语进行元分析解码，词云显示了前100个最相关术语，术语文本大小对应关联强度。 c)在独立的种子点功能连接分析中，vmPFC与Yeo-7网络划分中的默认网络和边缘网络的脑区存在大量的正连接（r>0），而与突显网络、腹侧注意网络、背侧注意网络和额顶控制网络存在显著的负连接（r<0）。 该研究发现两种不同类型的长期记忆在大脑中有着共同的存储区域，并确认了额叶皮层能够对这些脑区进行认知控制，无论是对于神经基础研究和包括痴呆症在内的各种记忆障碍疾病研究都具有重要意义。同时，找到长期记忆的存储系统，可实现记忆数据库的检索和智能的信息知识管理，该发现有可能对新一代人工智能系统开发提供思路。 该研究得到了国家自然科学基金、上海市“脑与类脑智能基础转化应用研究”市级科技重大专项以及欧洲研究委员会相关基金的支持。 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-021-22443-2 查看详细>>

人本质上是具有社会性的动物，只有通过不断与他人进行社会交往才能满足内在的归属需求并维持良好的社会关系。在与他人互动过程中，人们往往会关注他人的眼睛部分，并通过眼神进行沟通交流。可见眼睛不仅被动接受外界环境传递而来的视觉信息，同时也向外界透漏出人内心所想，因此眼睛也被比作心灵之窗。而瞳孔是眼睛虹膜中一个可以收缩或扩张的小圆孔，它可以控制光线进入眼睛的多少。有趣的是，瞳孔大小还可以反映人内在的认知过程。既然眼睛是社会交往过程中重要的媒介，那么瞳孔大小是否能反映社会互动的认知加工？脑与认知科学国家重点实验室蒋毅研究组的科研人员为此开展了一项实证研究。 　　在日常生活中，人们不仅擅长快速识别他人发来的社交信号（“第二人称”社会互动：如一个人招手叫我们过去），也十分精通于从旁观者的视角解读他人之间的社会互动（“第三人称”社会互动：如一个人发出指令让另一个人站起来，另一个人便站了起来）。 　　研究者利用生物运动光点小人模拟这两种社会互动场景，并通过操作小人的身体朝向生成了非社会互动的动画。研究者在被试被动观看3s社会互动动画和非互动社会动画，并同时记录了他们的瞳孔反应。 “第二人称”社会互动“第三人称”社会互动 验一结果发现，在动画呈现相对早期（450–1300毫秒）的阶段，被试观看第二人称的互动动画所诱发的瞳孔大小要明显大于非互动动画。为了控制互动动画和非互动动画之间低水平因素的差异，研究者在控制实验中将刺激上下翻转，这时瞳孔扩张效应消失了，因此排除了低水平因素所导致瞳孔扩张的解释。实验二结果发现，第三人称的社会互动在相对晚期（2000–3000ms）的阶段会诱发更大的瞳孔反应，而低水平的因素同样无法解释该效应。为了进一步阐明瞳孔扩张背后的机制，在实验三中，研究者通过替换一个小人这种更为严格的方法破坏其交流意图从而生成非互动动画。与预期一样，实验依然观察到了感知社会互动所引发的瞳孔扩张效应，这也进一步证实了社会互动中传递的交流意图而非其他无关因素诱发了上述所观察到的效应。 实验流程及实验结果 综上所述，实验发现不论是从“第二人称”，还是“第三人称”的角度，感知社会互动都会引发瞳孔扩张。该研究不仅证实了人对社会互动信息加工的特异性，同时也为瞳孔大小反映高级社会认知情感加工提供了重要依据。此外，瞳孔作为一种客观且易于测量的生理指标，在社会认知障碍（如自闭症）的早期诊断中也具有潜在的应用价值。 　　该研究获得国家自然科学基金、中国科学院先导专项、前沿科学重点研究项目等项目的资助，以及北京市科委、深港脑科院等的支持。 　　成果已在线发表于Neuroscience Bulletin。 　　论文信息： 　　Cheng Y,Liu W,Yuan X,Jiang Y.The Eyes Have It:Perception of Social Interaction Unfolds Through Pupil Dilation.Neurosci.Bull.(2021).https://doi.org/10.1007/s12264-021-00739-z 　　相关研究论文： 　　程羽慧,袁祥勇,蒋毅.(2021).社会互动加工的认知特性及脑机制——第三人称的视角.心理科学进展,29(3),472-480. 　　Liu,R.,Yuan,X.,Chen,K.,Jiang,Y.,&Zhou,W.(2018).Perception of social interaction compresses subjective duration in an oxytocin-dependent manner.eLife,7,e32100.doi:10.7554/eLife.32100 查看详细>>

精神分裂症的许多方面存在性别差异。例如，与女性患者相比，男性患者的发病年龄更早、阴性症状更严重、认知功能更差、治疗反应更差、总体预后更差、受教育程度较低、工作频率较低、社交能力较差等。然而，精神分裂症性别差异的病理生理机制尚不清楚。 　　感觉门控是指大脑自主地对重复或冗余的感觉输入信息的反应进行抑制的能力。通常通过条件-测试P50范式进行评估，其中成对的“click”刺激以500ms的间隔出现，引起大脑中的正极性反应，该反应发生在刺激开始后约50ms。第一个刺激称为条件反射刺激（S1），第二个刺激称为测试刺激（S2）。在精神分裂症患者中普遍发现比健康对照组高的P50比率，预示着存在感觉门控障碍。 　　这种表现为P50抑制性缺陷的感觉门控缺陷可能是参与精神分裂症病理生理学的候选内部表型，与临床症状和认知障碍有关。然而，在精神分裂症患者中，P50成分与临床症状及认知障碍之间的关系尚不清楚。尽管研究表明，在健康受试者中，女性的S1振幅和P50比率高于男性。但精神分裂症患者的P50成分是否存在性别差异，以及精神分裂症患者在症状、认知障碍、P50抑制缺陷等方面是否存在性别差异，尚无研究报道。 　　为研究上述问题，中国科学院心理健康重点实验室张向阳研究组近期开展了一项研究。研究者在北京某医院同时招募了130名首发未服用药物的精神分裂症患者（53名男性和77名女性）以及189名健康对照者（87名男性和102名女性）。研究采用阳性与阴性症状量表(PANSS)及其五因素模型对患者的精神病理症状进行评分，并采用条件-测试P50范式和事件相关电位(ERP)技术记录P50成分。以此探究首发未服用药物的精神分裂症患者P50感觉门控缺陷与精神病理学症状及认知缺陷的关系。 　　结果表明，男性患者的PANSS阴性症状、一般精神病理学、认知因素和总分高于女性患者。男性患者的S1振幅小于女性患者（如图1）。多元回归分析显示，在男性患者中，S1潜伏期是阴性症状的影响因素（如图2），而S1潜伏期、S2潜伏期、年龄和吸烟状态是认知因素的影响因素（如图3）。在女性患者中，没有发现P50成分是PANSS评分的影响因素。研究结果提示，首发精神分裂症在临床症状和P50抑制缺陷上存在性别差异。 图1.模拟首发未服药的男性及女性精神分裂症患者的组平均值。Click开始时间为0ms。黑色粗线：S1响应波形；红线：S2响应波形。箭头显示P50波的位置。正极性向下。 图2.男性精神分裂症患者阴性症状与S1潜伏期呈正相关 图3.男性精神分裂症患者认知因子与S1潜伏期及S2的潜伏期呈正相关 该研究表明，首发精神分裂症患者的临床症状、认知功能障碍与P50抑制缺陷之间存在性别差异。这种差异可能与吸烟、性激素、社会保障因素以及其他相关生物学基础等相关因素的综合作用有关。 　　该研究受中国科学院国际合作研究计划(153111KYSB20190004)和中国科学院心理健康重点实验室支持。 　　研究结果已发表于Progress in Neuropsychopharmacology&Biological Psychiatry。 　　论文信息： 　　Xia,L.,Wang,D.,Zhou,H.,Tian,Y.,Dai,Q.,Xiu,M.,Chen,D.,Wang,L.,Zhang,X.Sex differences in P50 inhibition defects with psychopathology and cognition in patients with first-episode schizophrenia.Progress in Neuropsychopharmacology&Biological Psychiatry.DOI:10.1016/j.pnpbp.2021.110380 查看详细>>

020年10月30日，应《Current Opinion in Neurobiology》编辑邀请，中国科学院生物物理研究所王晓群研究员撰写并在《Current Opinion in Neurobiology》杂志上发表了题为"Modeling brain development and diseases with human cerebral organoids"的综述论文。中科院生物物理研究所王晓群课题组长期致力于脑发育与功能的研究。近年来，该课题组对于人大脑皮层胚胎发育期间的细胞类型与细胞特征进行了系统分析，并揭示了人脑产生沟回的调控机制(Liu et al.,2017;Zhong et al.,2018)。为了深入研究该领域，王晓群课题组早在2012年国际领先建立了大脑皮层类脑器官培养技术，并应用该技术在体外模拟了ASPM基因突变导致的头小畸形症表型，探究了ASPM突变导致头小畸形的病理特征和机制(Li et al.,2017)。为了进一步解决传统培养方案中氧气和营养物质不能到达类脑器官内部，从而限制了其长期培养的问题，该课题组在2020年建立了一种获得血管化类脑器官的方法(Shi et al.,2020)。该研究证实了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）通过与人胚胎干细胞共培养能够在类脑器官中连接形成复杂的血管网络，并很好地缓解了类脑器官内部的细胞缺氧和凋亡。另外，HUVECs血管网络能够加速类脑器官的成熟发育，使其更早的达到成熟状态。而进行体内移植之后，类脑器官血管网络中的内皮细胞可以整合到宿主小鼠的血管中而形成新的有血液流动的功能性血管网络(Shi et al.,2020)。 　　探究人类大脑的发育机制以及揭示神经发育和精神疾病的致病机理一直是神经生物学的重要议题。由于人类和非人灵长类动物的脑组织极难获取且涉及到伦理问题，目前有关人类大脑皮层发育的认识和理解主要源于对啮齿类动物脑的研究。尽管很好地揭示了许多哺乳动物共性的发育特征，如皮层的六层结构和脑功能的区域化等，啮齿类动物模型并不适合于模拟和研究人类特异的大脑发育特点。近年来，诱导多能干细胞（iPSC）技术的建立和三维培养方法的快速发展使得类脑器官应运而生。类脑器官是在体外培养的具有与人脑类似结构的三维神经组织。大量的研究已经证实，类脑器官能够很好地模拟神经发生，神经元迁移，皮层分层及神经环路建立等体内过程。另外，得益于病人iPSCs的可获取性，类脑器官还可以被广泛应用于揭示神经系统疾病的发病机制。在体外培养条件下即可以获取大量的类脑器官，因此，类脑器官在揭密人类神经发育和神经精神疾病的遗传基础方面展现出了相较于动物模型的明显优势。 　　为了使读者对类脑器官有更全面的了解，该综述论文首先回顾了类脑器官的发展历程，并重点介绍了一些标志性的开创研究工作（见图1）。例如，Sasai等人在建立"无血清拟胚体培养方法"的贡献；以及Lancaster在2013年报道的建立同时包含多个脑区的"cerebral organoid"的培养方法。作为一个发展很迅猛的研究领域，目前有大量的研究报道了多种多样的培养方法以及模拟不同脑区发育的类脑器官的培养方案，本综述论文接下来详细总结了目前报道的多样的类脑器官的培养方案，并以图表的形式进行了很好的展示。这将很好地帮助对类脑器官培养有不同需求的读者建立合适的培养方案。在此基础上，论文从模拟人类神经系统发育和模拟神经系统异常疾病两个方面介绍了类脑器官在目前阶段的应用。类脑器官在探究人类特征性的神经前体细胞（例如，oRG）以及人类相较于非人灵长类的独特的发育特点方面均展现出了无与伦比的优势。另外，在模拟神经发育异常疾病及神经退行性疾病，并探究其致病机理方面，类脑器官均被广泛应用并显示了其独特的优势。尽管，类脑器官的研究领域正以突飞猛进的速度不断发展与创新，目前仍然存在一些亟需解决的问题，例如如何改善培养方案提高类脑器官的可重复性以及解决其内部缺氧和细胞坏死的问题等。这些问题以及尝试解决这些问题的研究工作在本论文中进行了详细的介绍。作为一个新兴的研究领域，类脑器官正在日新月异的迅猛发展，此论文将激起更多读者对于类脑器官的兴趣并帮助其对该领域有较全面和更好的了解。 图1类脑器官发展和创新进程中重要的里程碑性研究工作 　　文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959438820301331 查看详细>>