2020年，中科院神經所又是豐收的一年。下面，讓我們來一起回顧神經所今年發表的部分論文，更多詳細內容，請見中科院神經所的官網。
視覺學習行為的神經機制
2020年6月3日，《Nature Communications》期刊在線發表了姚海珊研究組的科研成果，發現光遺傳激活OFC投向V1的纖維能夠降低V1神經元對視覺刺激的反應幅度，但不影響方位選擇性。OFC向V1的投射能夠調節V1神經元對獎勵無關刺激的反應，通過改變刺激的顯著性來易化視覺偶聯學習。
圖註：A. 在刺激-獎勵偶聯行為中，OFC神經元的獎勵預期信號通過反饋投射到V1，使得V1神經元對視覺刺激的反應受到獎勵預期的調節。B. 抑制OFC向V1投射的活動，減慢視覺偶聯學習。C. OFC的獎勵預期信號對V1視覺反應的調節，改變了視覺刺激的顯著度；V1視覺反應的變化，有助於OFC獎勵預期信號的更新，從而促進學習。
阿片類物質鎮痛的神經機制
2020年6月10日，《eLife》期刊在線發表了孫衍剛研究組的科研成果，結合遺傳學操控、藥理學實驗、光纖鈣記錄、行為學實驗等技術手段，揭示了在炎症性疼痛中，外源性和內源性阿片分別通過作用於表達在穀氨酸能和γ-氨基丁酸（GABA）能神經元中的mu型阿片受體（MOR）發揮鎮痛作用。該研究為解析阿片系統的功能、以及深入研究痛覺調控環路提供了全新的思路。
圖註：阿片鎮痛機制的模型圖。
該研究在孫衍剛研究員的指導下，主要由腦智卓越中心博士研究生張欣妍和竇豔儂博士完成，研究組的袁雷、李清、朱豔景和王蒙也作出了重要貢獻。本項目受到了國家自然科學基金委員會、上海市和中科院的資助。
視網膜中早期視覺運動經驗依賴的可塑性
2020年3月25日和2020年6月12日《PLOS Biology》和《Journal of Neuroscience》期刊分別在線發表了題為《早期視覺運動經驗塑造視網膜方向選擇性神經節細胞間的縫隙連接》和《早期視覺運動經驗提高視網膜的運動方向編碼能力》的研究論文，該研究由張翼鳳研究組獨立完成。這兩項工作首次證明視網膜神經節細胞在發育早期具有相當程度的可塑性。
圖註：左：視覺運動經驗訓練示意圖。右上，偏好朝上運動的ON-OFF DSGCs之間的縫隙連接比例與強度與視覺經驗訓練的方向高度相關。右下，ON-OFF DSGCs對運動方向的編碼能力提升與視覺經驗訓練的方向無關。
跨物種機器學習提升精神疾病的磁共振影像診斷準確率
2020年6月17日，《American Journal of Psychiatry》期刊在線發表了王徵研究組與赫然課題組合作完成的科研成果。該研究整合靈長類動物模型和臨床精神疾病患者的功能磁共振影像數據，國際上首次設計猴-人跨物種的機器學習分析流程，利用從轉基因獼猴模型上學習的特徵構建臨床精神疾病患者的分類器模型，進而深入解析人類自閉症和強迫症的神經環路機制。此研究為精神疾病的影像學精準診斷提供了新證據，開闢了利用非人靈長類模型服務精神疾病的臨床應用需求的新途徑。
圖註：（A）腦功能連接圖譜的特徵構建猴-人跨物種機器學習分類器；（B）在獼猴模型中學習得到的9個腦區；（C）基於9個腦區構建的跨物種機器學習分類器與基於人ASD數據構建的分類器對ASD、OCD和ADHD的分類性能ROC曲線；（D）ASD和OCD共享的神經環路內表型以及與疾病特異的臨床症狀相關的異常。
靈活行動選擇的神經機制
2020年6月24日，《eLife》期刊在線發表了題為《次級運動皮層在靈活視覺分類行為中參與適應性行動選擇的控制》的研究論文。該研究發現，次級運動皮層的行動選擇信息和感覺歷史信息受到任務需求的動態調控，在靈活行為中具有重要作用。該研究由姚海珊研究組完成。
圖註：A. 在靈活視覺分類行為中，小鼠需要及時覺察分類標準的變化，更新自己對切換刺激的行為選擇。在刺激的行為意義難以確定時，理論上小鼠可以根據行為選擇的獎懲歷史和感覺刺激歷史做出抉擇。B. M2神經元對上一次試驗的刺激具有選擇性，即能夠表徵感覺刺激歷史。
痛覺信息處理的神經環路機制
2020年7月9日，《Neuron》雜誌在線發表了題為《臂旁核將脊髓上行的痛覺信息直接傳遞到丘腦板內核而非杏仁核》的研究論文，該研究由孫衍剛研究組完成，闡明了痛覺相關信息長程傳遞和誘發保護性行為的細胞及神經環路機制。
圖註：同側脊髓臂旁核環路直接將脊髓上行的痛覺信息傳遞到丘腦板內核而非杏仁核。脊髓投射神經元同時投射到對側（白線）和同側（黃線）臂旁核。大部分接收脊髓輸入的臂旁核神經元分布在背外側臂旁核（紅色），這些神經元主要投射到丘腦板內核（粉線），與杏仁核有少量連接（藍色細線）。少量接收脊髓輸入的臂旁核神經元分布在腹外側臂旁核（藍色）。
神經元產生的細胞譜系規則及譜系依賴的重編程
2020年7月23日, 國際學術期刊《Journal of Cell Biology》在線發表了題為《不同的譜系場景促使相同轉錄因子定向不同的視網膜神經元亞型》的研究論文，該研究由何杰研究組完成，通過揭示視網膜神經元產生的譜系規則，實現了譜系依賴的神經前體細胞重編程，為神經性致盲眼病（譬如：青光眼中的視網膜神經節細胞缺失；黃斑變性中的感光細胞喪失）的細胞治療提供了新的思路。
圖註：（A）斑馬魚視網膜結構示意圖。（B）斑馬魚視網膜神經發生的六種主要細胞譜系。（C）OC1+神經祖細胞和vsx1+神經祖細胞產生不同的細胞譜系。（D）在譜系特異的祖細胞中過表達單個轉錄因子高效獲得特定類型的視網膜神經元。標尺為10微米。
極體移植介導的核質置換非人靈長類模型
2020年7月28日，《Cell Research》期刊在線發表了題為《第一極體移植介導的線粒體替換非人靈長類動物模型》的研究論文，該研究由孫強和劉真團隊完成，首次在非人靈長類動物中，利用第一極體移植技術實現了卵母細胞的線粒體替換，為該技術在線粒體疾病治療的臨床應用提供了安全性和有效性評估的重要模型。
新型光場顯微鏡高速記錄大腦神經元活動和血流的快速動態變化
2020年8月10日，《Nature Biotechnology》雜誌在線發表了題為《共聚焦光場顯微鏡對小鼠和斑馬魚大腦快速體成像》的研究論文，該研究由王凱研究組完成。該研究發展了一種新型體成像技術：共聚焦光場顯微鏡，可以對活體動物深部腦組織中神經和血管網絡進行快速大範圍體成像。該技術不僅適用腦組織的成像，還可以根據所需成像的樣品種類靈活調整解析度、成像範圍和速度，應用在其他厚組織的快速動態成像中。
圖 1（上）共聚焦光場顯微鏡原理示意圖。（下）不同於傳統光場顯微鏡，共聚焦光場顯微鏡採用片狀照明，選擇性激發樣本的一部分，在垂直照明的方向上掃描，採集到的信號被遮擋板過濾掉焦層範圍之外的部分。對採集到的圖像進行重構可以得到焦層內的三維信息。
《美國科學院院報》發表腦智卓越中心對小鼠皮層神經元細胞群體同步激活的研究成果
2020年8月3日，蒲慕明研究組在《Proceedings of the National Academy of Sciences》在線發表了題為《同步激活大量神經元細胞群引起全腦皮層神經元興奮性增強》的研究文章。發現大量神經元群被重複激活會造成局部和全腦皮層神經元興奮性增強的現象。這種增強效應需要大腦皮層同一區域或者不同區域的大量神經元被共同激活，還依賴於NMDA受體的活性，皮層-丘腦-皮層環路也可能對這種增強效果做出貢獻。
圖註：左邊，在小鼠大腦皮層表面給予的4種不同空間分布的雷射共刺激。藍色方塊表示雷射刺雷射斑，4種共激活刺激使用的光斑總面積相同；右邊，4種不同的雷射共刺激後，得到的結果趨勢相同。即共同刺激之後，測試刺激誘導產生的神經元反應增強。小鼠大腦上的藍色方塊為檢測刺雷射斑，下方放大的圓圈中為神經元與記錄電極示意圖。紅色為表達光激活通道ChR2的神經元，右側方框中顯示了檢測光斑引起的神經電活動在共刺激前（虛線）後（實線）的比較。灰色虛線為刺激起始時間，藍色橫線為刺激時長。
家庭中有嬰兒促進狨猴利他行為
2020年8月20日,龔能團隊與梁智鋒研究組在《Current Biology》期刊在線發表了題為《家庭中有嬰兒促進狨猴利他行為》的合作研究。該研究通過新建一種客觀評價狨猴利他行為的實驗範式，結合清醒狨猴功能磁共振成像的方法，發現有嬰兒的狨猴家庭中，狨猴父母的解救利他行為顯著提高，而且嬰兒叫聲可以特異性激活狨猴父母相關的大腦皮層腦區。此研究提供了一個理想的研究家庭利他行為的非人靈長類動物模型，為進一步探索利他行為的神經機制提供了基礎。
圖註： 圖1（A）狨猴父母背著嬰兒；圖1（B）基於解救的利他行為實驗範式示意圖；圖1（C）隔絕嬰兒相關的視覺信息或者直接替換為喇叭播放嬰兒叫聲可引起狨猴解救行為（囚禁盒背面透明，施救者入島後可觀察到裡面物體）；圖1（D）配偶間互相解救時，放置一隻隱藏的嬰兒狨猴或播放嬰兒狨猴叫聲，可增加家庭中有嬰兒的狨猴配偶間互相解救行為。圖1（E）清醒功能核磁共振成像結果顯示家庭中有嬰兒的狨猴其聽皮層、島葉皮層等腦區被嬰兒叫聲顯著激活，而無嬰兒家庭的狨猴則沒有顯著激活。
杜久林研究組發現大腦三維血管網絡形成的細胞和分子機制
2020年8月21日，《Neuron》期刊在線發表了杜久林研究組題為《Piezo1通道介導的鈣離子活動調控發育過程中大腦血管的路徑選擇》的研究論文。大腦發育過程中，血管的路徑選擇對腦血管三維網絡的形成至關重要。該研究以斑馬魚為模型，發現了大腦血管內皮頂端細胞分支上機械敏感通道Piezo1介導的鈣離子活動的頻率高低決定了頂端細胞分支的收縮或伸長的命運，從而決定血管生長的路徑選擇和腦血管三維網絡的形成模式。
圖註：（左邊）幼年斑馬魚大腦三維血管網絡的共聚焦顯微成像圖片：紅色顯示腦血管網絡。箭頭指示內皮頂端細胞。（右邊）內皮頂端細胞的路徑選擇機制模式圖：機械敏感鈣離子通道Piezo1介導的高頻和低頻的亞細胞鈣離子活性分別通過蛋白酶Calpain或一氧化氮合酶 (nitric oxide synthase, NOS) 控制內皮頂端細胞分支的收縮或伸長，從而決定內皮頂端細胞的路徑選擇以及三維腦血管網絡的模式。
中科院腦智卓越中心發現大腦中的調色板
2020年8月26日，《Neuron》期刊在線發表了王偉研究組與唐世明實驗室合作完成的科研成果。該研究利用內源性信號光學成像、雙光子成像和電生理記錄等手段，詳細描繪了等級化的不同視覺腦區的色調圖結構，揭示了認知顏色空間形成的神經機制。該研究的創新發現，不僅在於對這些色調圖結構的詳細描繪和研究，更是第一次定量檢測了三個不同等級的視覺皮層的色調圖（調色板）與我們主觀認知的色調空間位置的匹配程度，而這種匹配程度，隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。
A，光的本質是電磁波，本身並沒有顏色。視網膜上的視錐細胞可將光譜信息轉化為神經信號，大腦再將這些信號加工處理最終創造出我們對顏色的主觀感知。B，本研究利用多種技術手段，描繪並分析了V1、V2、V4三個連續視覺腦區中的色調圖。C，通過定量檢測三個不同等級的視覺皮層的色調圖（調色板）與我們主觀認知的色調空間位置的匹配程度，研究者發現這種匹配程度隨著視覺皮層等級的提高而顯著提升。
中科院發現穀氨酸能神經元對睡眠穩態調節的重要作用
2020年9月4日2點，《Science》雜誌發表了題為《Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons》的研究論文，該研究由徐敏研究組與李毓龍研究組合作完成，利用新型遺傳編碼的腺苷探針，發現基底前腦區的穀氨酸能神經元對於睡眠壓力的積累起著重要的調控作用，進一步揭示了睡眠穩態調控的神經環路機制，為探索睡眠障礙的治療方法提供了重要參考。
圖註：腺苷快速釋放和睡眠穩態的神經調控。（A）使用GCaMP和GRABAdo同時記錄神經活動和腺苷釋放，揭示了睡眠-覺醒周期中小鼠基底前腦區神經活動依賴的快速腺苷釋放。（B）光遺傳學激活基底前腦區穀氨酸能神經元引起細胞外腺苷的大幅度增加。（C）特異損傷基底前腦區穀氨酸能神經元可降低胞外腺苷水平，並明顯增加小鼠的清醒時間。
編碼同類雄性特徵的神經機制
2020年9月21日，《Neuron》在線發表題為《特異性感知與攻擊行為相關的同物種雄性信息的下丘腦神經元》的研究論文，該研究由許曉鴻研究組完成。該研究利用鈣信號記錄、化學遺傳操縱及腦片電生理等技術，解析了下丘腦腹側乳頭體前核通過整合嗅覺信息，特異性地編碼同物種雄性信息，進而調控小鼠攻擊行為的細胞及神經環路機制。
圖註：處理嗅覺信息並調節雄性攻擊行為的神經環路。
VNO:犁鼻器，AOB:副嗅球，v-BNST: 腹側終紋床核, PMv:腹側乳頭體前核。
《細胞 幹細胞》發表中科院腦智卓越中心關於受損神經環路修復和功能重塑的研究成果
2020年9月22日，《Cell Stem Cell》期刊在線發表了題為《人幹細胞來源的神經元修復環路重塑神經功能》的研究論文，該研究通過解析帕金森病模型鼠腦內移植的人多巴胺能神經元重構的神經環路，發現移植幹細胞來源的神經細胞可以特異性修復成年腦內受損的黑質-紋狀體環路，改善帕金森病模型動物的行為學障礙。該研究主要由中國科學院腦科學與智能卓越創新中心陳躍軍研究員指導，與復旦大學附屬兒科醫院周文浩/熊曼研究組，美國威斯康辛大學張素春研究組合作完成。
圖註：女媧補天（腦），寓意通過移植幹細胞來源的神經細胞，特異性修復大腦中受損神經環路，重塑神經功能 。
大腦中執行不同認知功能環路之間的協同作用
Logothetis教授已受聘為中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心-國際靈長類中心的聯合主任。在最近一期的《自然》雜誌上發表的研究中，Logothetis實驗室利用獼猴的多種神經活動記錄手段，首次證明了腦幹確實是通過PGO波短暫地調節了海馬腦網絡事件。兩種在生理上不同類型的PGO波似乎依次發生，分別選擇性地影響高頻漣漪和低頻θ波震蕩事件。兩種類型的PGO波與海馬區域相反的動作電位場耦合相關，促使神經元群體在漣漪和θ波震蕩時期出現高度神經發放同步行為。
關於前額葉不同子區在抉擇中不同功能的研究成果
2020年11月17日，《PNAS》在線發表了題為《前額葉皮層在價值抉擇計算中的證據累積》的研究論文，該研究由楊天明研究組完成。研究發現在價值抉擇的過程中，眶額葉皮層僅編碼單個證據在視覺特徵層面所攜帶的價值信息，而背外側前額葉區域不僅編碼了證據在運動層面的累積，還編碼了單個證據從視覺特徵到運動相關的信息轉換。
圖注（A）獼猴行為學範式（B）兩種假設。其一在視覺特徵空間完成，其二在運動空間完成，價值信息由視覺特徵空間向運動空間的轉換可以發生在單個證據階段，或者在證據累積完成後的階段（C）背外側前額葉對價值信息在運動空間累積的編碼
| 內容來源：中科院神經所官網
| 編輯：Simon