2011年，北京大學獲得國際捐贈一千萬美元建立腦科學研究機構：北京大學IDG麥戈文腦科學研究所。北京大學校長周其鳳和美國國際數據集團(IDG)創始人兼董事長、麻省理工學院（MIT）麥戈文腦研究院創始人麥戈文先生（Patrick McGovern）於2011年11月8日在北京大學臨湖軒籤署捐建協議。
圖註：北京大學IDG麥戈文腦科學研究所學科組成
研究所整合了北大心理、認知、神經科學、精神疾病、信息科學、物理、化學等相關學科，聯合醫學部及附屬醫院開展研究，麥戈文研究所可謂名副其實的多學科交叉腦研究平臺。2016年，麥戈文研究所牽頭成立了「北京大學腦科學與類腦研究中心」。中心研究涵蓋人工智慧、腦機交互、生物醫學工程、腦成像等腦科學研究相關領域。
目前，研究所共有31名PI，其中11名來自心理與認知科學學院，9名來自生命科學學院，1名來自物理學院，2名來自分子醫學研究所，6名來自醫學部，1名來自化學與分子工程學院，1名來自信息科學技術學院。
下面，讓我們一起來回顧他們2020年取得的科研成果。
01唐世明課題組在Nature Communications在線發表文章 揭示V1神經元樹突輸入的精細時空功能圖譜
2020年2月4日，《自然·通訊》（Nature Communications）在線發表了北大生命科學學院、北大麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心唐世明課題組的研究論文：Spatiotemporal functional organization of excitatory synaptic inputs onto macaque V1 neurons（獼猴初級視覺皮層(V1)神經元樹突上興奮性輸入的時空功能組織）。該研究藉助於新型穀氨酸探針iGluSnFR，實現了對清醒獼猴大腦皮層神經元的雙光子樹突成像，並獲得了單個V1神經元樹突上興奮性輸入的精細時空功能圖譜。
圖1. 獼猴V1神經元樹突上的興奮性輸入。a，單個V1神經元樹突上興奮性輸入的空間分布；b，朝向和顏色選擇性輸入在單個V1神經元底樹突上的整合與競爭。
02周曉林課題組在Cerebral Cortex、NeuroImage發表文章 在內疚情緒認知神經科學研究上取得新進展
2020開年之初，北京大學IDG麥戈文腦科學研究所PI、北京大學心理與認知科學學院周曉林教授課題組就人際內疚情緒產生的認知神經基礎發表了兩篇論文。第一篇在線發表於Cerebral Cortex（「A Generalizable Multivariate Brain Pattern for Interpersonal Guilt」），該研究利用線性支持向量機(support vector machine, SVM），訓練多維模式分類器，在多個數據集中識別了一個特異於內疚的神經表徵分布；第二篇發表於NeuroImage（ 「Guilty by association: How group-based (collective) guilt arises in the brain」），該研究將人際內疚的研究由個體層面擴展到群體層面，在世界上首次揭示了在真實群體互動中個體產生所謂的「集體內疚」時其神經活動模式。兩篇論文的第一作者分別為周曉林教授課題組博士畢業生於宏波、李志愛。
03唐世明、餘聰課題組合作在Current Biology上發表文章 視覺科學與視覺藝術：達利的林肯肖像畫與雙光子成像的故事
北京大學唐世明老師和餘聰老師兩個實驗室這幾年一直在運用雙光子鈣成像技術研究獼猴的初級視覺皮層神經元的反應，包括對交叉線條或者格子刺激的反應。雙光子成像技術可以在單個神經元的精度上，同時對數百個神經元的活動進行記錄， 相對於傳統單電極記錄和內源性光成像技術有極大的優越性。
兩個實驗室在2020年初發表的論文中報告了獼猴初級視覺皮層許多專門對格子刺激起反應的神經元（圖）（Guan et al., 2020）。有意思的是，這些神經元對線條或者光柵不怎麼反應（圖B中比較平緩的藍色曲線），而傳統的單電極技術一般要用線條或者光柵來找神經元，這樣就自動把這些對格子起反應的神經元給剔除了，所以一直沒有找到。這些格子神經元(plaid neurons)的發現，給從Julsez到達利到Morrone等人的關於林肯肖像的視覺與視覺藝術的美妙故事又添加了新的內容。
04陳良怡課題組合作在Light: Science & Applications上發表文章 發明超分辨螢光輔助衍射層析技術 觀察到細胞器互作全景圖和新細胞器
2020年1月28日，北京大學分子醫學研究所、IDG/麥戈文腦科學研究所陳良怡課題組與物理學院的施可彬課題組合作，將三維無標記光學衍射層析顯微成像與二維海森結構光超分辨螢光成像技術相結合，發明了一種新的雙模態超解析度顯微鏡。該新技術被命名為超分辨螢光輔助衍射層析技術（SR-FACT），讓科學家首次看到細胞內真實全景超解析度圖像。相關成果以「Super-resolution fluorescence-assisted diffraction computational tomography reveals the three-dimensional landscape of the cellular organelle interactome」於1月28日發表在國際高水平期刊《Light: Science & Applications》上，並已經申請了相關專利。
圖1. COS-7細胞分裂過程的無標記光學衍射層析三維成像結果（視頻）。
05韓世輝課題組在eLife發表文章揭示群體衝突中復仇的神經生物學機制
在群體衝突中，看到對手傷害自己的隊友會激發報復行為，去攻擊對手。這一複雜社會行為貫穿人類歷史，闡明其機理具有重要科學意義和社會價值。心理學研究提出對「內群體的愛」（ingroup love）或/和對「外群體的恨」（outgroup hate）等概念來理解人類報復行為，但目前關於報復行為的神經生物學機制尚不清楚。
韓世輝課題組既往工作報告了痛覺共情的內群體偏好（Xu et al., 2009, Journal of Neuroscience，Luo et al., 2015, NeuroImage; Sheng et al., 2016, Cerebral Cortex）以及催產素增強痛覺共情內群體偏好（Sheng et al., 2013, Biological Psychology）等發現，提出並驗證了痛覺共情中的「不對稱種族加工理論模型」（Han, 2018, Trends in Cognitive Sciences；Zhou et al., 2020, Nature Human Behavior）。
在這些工作基礎上，該課題組從痛覺共情及催產素的角度，進一步研究了群體衝突中復仇行為的神經生物學基礎，2020年3月3日在學術期刊《eLife》在線發表題為「A neurobiological association of revenge propensity during intergroup conflict」的論文，報告新的實驗發現：群體衝突中內源催產素水平和對內群體共情大腦活動預測對外群體復仇傾向。
06陳良怡課題組在Science China Life Sciences在線發表文章 「鈣燈籠」超分辨成像發現線粒體對ER鈣庫釋放順序的決定作用
北京大學分子醫學研究所、IDG/麥戈文腦科學研究所陳良怡課題組發展了一種新的超分辨螢光成像手段，通過螢光標記胞漿中的鈣離子同時以「暗影」的形式「反向」標記出線粒體和溶酶體等細胞器，揭示了線粒體對內質網（ER）鈣庫釋放順序的決定作用，並闡明背後機制。該研究論文在線發表於Science China Life Sciences，題為Mitochondria determine the sequential propagation of the calcium macrodomains revealed by the super-resolution calcium lantern imaging。值得注意的是，該方法被證明同樣適用於研究細胞器結構與胞內其他重要的第二信使如cAMP的區域化激活的相互關係。
圖 「鈣燈籠」成像標記線粒體和溶酶體
07張航課題組在Journal of Neuroscience發表文章 提出視覺啟動效應背後的計算機制
2020年4月29日，北京大學心理與認知科學學院、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心的張航研究組在 Journal of Neuroscience 期刊上發表論文，提出了一個新的計算模型用以解釋人類認知過程中廣泛存在的視覺啟動效應，認為啟動效應不是大腦對外界啟動刺激的固化響應，而是大腦在固有的注意振蕩與對未來目標的時間預期共同作用下的湧現特徵。
論文作者提出了振蕩式時間預期模型（Oscillated Temporal Expectation Model，簡稱OTEM），試圖用一個統合的機制去解釋各種啟動效應及其時間動態特性。與前人理論相比，OTEM的理論假說在兩個方面具有顛覆性：一是以日益受到關注但仍然相對非主流的注意振蕩現象為前提，反過來解釋了經典的正啟動和負啟動效應；二是指出啟動效應在很大程度上取決於大腦對未來目標的時間預期。
08納家勇治課題組在Human Brain Mapping發表文章 揭示額下回在概念知識提取過程中 能夠根據具體的任務要求靈活調控相應的語義表徵腦區
2020年2月17日，《Human Brain Mapping》在線刊發了北京大學心理與認知科學學院、麥戈文腦科學研究所納家勇治研究員課題組的論文「Convergence of distinct functional networks supporting naming and semantic recognition in the left inferior frontal gyrus」。
物體命名與再認是兩個緊密關聯的認知過程，既往研究往往只關注其中一個因素而忽略了兩者間潛在的混淆效應（Gorno-Tempini & Price, 2001; Abel et al., 2015）。為了解決以上問題，課題組採用物體命名任務結合熟悉性評分的方法對物體命名與再認過程進行了研究。命名任務要求被試儘量給出物體的特異水平名稱（如企鵝），如果被試不記得或不知道該物體的特異名稱，再在基本水平（如鳥類）命名（圖1A，B）。此外，掃描結束後被試還需要給出物體的熟悉性評分（圖1C）。通過這種設計可以得到高熟悉評分的基本命名試次，並將其作為高水平控制條件來與高熟悉特異命名試次進行對比，以此來實現物體命名與再認的分離。
圖1 命名任務和熟悉性評分任務
09周曉林課題組在NeuroImage上發表文章揭示個體加工他人利他決策不確定性產生感激情緒的認知神經基礎
北京大學心理與認知科學學院及麥戈文腦科學研究所周曉林教授課題組的研究，「Affective evaluation of others' altruistic decisions under risk and ambiguity」，於2020年5月27日在NeuroImage雜誌在線發表。該研究揭示了個體加工他人利他決策不確定性產生感激情緒的認知神經基礎。周曉林教授課題組博士研究生熊威、博士後高曉雪為論文的共同第一作者，交流訪問本科生賀哲文和已畢業博士研究生（現加州大學聖芭芭拉分校助理教授）於宏波分別為論文的第三和第四作者，高曉雪與周曉林教授為共同通訊作者。本研究得到了鄭州大學心理健康中心劉慧灜教授課題組的大力支持。
圖1. 人際互動範式流程圖和行為結果
10納家勇治課題組在Cerebral Cortex發表文章 揭示不同空間任務要求下認知地圖的神經表徵
2020年6月2日，《Cerebral Cortex》在線刊發了北京大學心理與認知科學學院、麥戈文腦科學研究所納家勇治研究員課題組的論文「Medial prefrontal cortex represents the object-based cognitive map when remembering an egocentric target location」。
一張認知地圖由多種空間元素構成，一個完整空間的神經表徵還有待探索，同時，同一張認知地圖可以被用來完成不同的空間任務，例如定位自己的位置和定位一個物體的位置，大腦如何在不同任務下使用認知地圖也同樣有待驗證。為了回答這些問題，我們設計了一個基於3D遊戲引擎的全新空間記憶任務(Fig. 1a)。每個任務試次中，被試以第一人稱視角向3個卡通玩偶行走並停在玩偶中間（walking period）。其中，3個玩偶獨特的相對空間位置被定義為地圖(Fig. 1b)。而後，被試需使用認知地圖信息在面朝方向變化後定位自己的位置(facing period)，以及定位一個物體的位置(targeting period)。
表徵相似度分析發現，當定位自己位置時，認知地圖由內側顳葉的海馬表徵，而當定位物體位置時，認知地圖被內側前額葉表徵。該結果首次為基於多個物體（例如人類）構成的認知地圖神經表徵的存在提供了實驗證據，為後續的空間認知研究提供了方向（例如基於移動物體認知地圖形成的神經機制）。
Fig.1 (a)空間記憶任務。被試在每個試次經歷3個階段：walking階段，被試朝向3個卡通玩偶行走最終停在玩偶之間的圓形木板上；facing階段，屏幕上呈現一個玩偶，提示被試所面朝的方向發生變化，且當前面朝該玩偶；targeting階段，另一個玩偶的照片在屏幕上呈現，被試需定位該玩偶相對於自身的方向，並稍後做出選擇。（b）每一張地圖被定義為3個玩偶獨特的相對空間位置。(c)對於每一張地圖，被試將經歷從4個不同的方向走向3個玩偶。雖然地圖是相同的，經歷的空間刺激不同。
11納家勇治課題組在Cerebral Cortex在線發表文章 揭示靈長類下顳葉的客體、位置信息雙編碼
沿視覺腹側通路至海馬的感知信息處理通常被認為伴隨視網膜空間到關係空間的轉換，後者表徵視覺元素間相互關係而丟失了各自源自視網膜的位置信息。然而，我們的視覺感知多有類似視網膜映射的第一視角體驗。納家組發現，恆河猴下顳葉的神經元既可以表徵基於關係空間的、支持物體再認的物體客體信息，也可以表徵基於視網膜空間、支持物體定位的物體位置信息，兩者共同成為實現第一視角體驗的重要神經基質。這項研究於2020年7月8日在線發表於Cerebral Cortex。
圖1. 在兩種注視和兩種編碼條件下的物體客體、位置信息編碼實驗。在AE條件，被試需記住樣本物體的客體和位置信息，並在響應期進行作答。在PE條件，被試僅需保持注視。注視要求由圖中白色注視點示意。
不僅僅是物體的客體信息，納家組的實驗結果提示，在腹側通路的下顳葉，由大視角背景視圖提供的位置信息可能依然存在。有趣的是，上述客體和位置信息的性質截然不同：在主動編碼（AE）的F-V條件下，下顳葉有顯著多的細胞編碼客體及位置信息；而在被動編碼（PE）任務下，僅檢測到顯著的位置信息。這一對照結果提示，源於視網膜的信息，延腹側向，至少有兩種不同的加工通路：逐漸加工為客體信息並不再保留位置信息的主動編碼通路，以及保留了視網膜映射結構，可以提供特異位置信息的被動編碼通路。
12楊競課題組發表兩篇著作章節論述神經軸突退行性病變的最新研究方法及領域前沿進展
北京大學麥戈文腦科學研究所楊競研究員在近期出版的Methods in Molecular Biology和Comprehensive Developmental Neuroscience分別撰寫著作章節，論述神經元軸突退行性病變的最新研究方法及領域前沿進展。
（1）楊競研究員在Methods in Molecular Biology著作章節「Chapter 17: Whole-Tissue Immunolabeling and 3D Fluorescence Imaging to Visualize Axon Degeneration in the Intact, Unsectioned Mouse Tissues」，論述利用全組織三維螢光成像技術解析不同病理條件下神經軸突退行性病變的技術手段，為領域研究開拓全新視角。
（2）楊競研究員與美國哈佛醫學院Zhigang He和杜克大學Fan Wang合作，在Comprehensive Developmental Neuroscience著作章節「Chapter 10: Axon Maintenance and Degeneration」，綜述近年來在發育或疾病條件下神經軸突退行性病變相關分子機制的重要進展，同時展望領域內的未來研究熱點。
13方方課題組合作在《Science China Life Sciences》上發表文章 應用人類立體顱內腦電揭示視皮層的運動回放現象
北京大學心理與認知科學學院方方課題組與清華大學心理學系陳霓虹課題組在Science China Life Sciences期刊發表了題為Cue-triggered activityreplay in human early visual cortex的研究論文。作者使用立體腦電圖（stereo-electroencephalography，sEEG）進行人類視皮層的顱內電極記錄。通過網膜拓撲定位程序，研究者先定位出早期視皮層V1-V3內各電極位點的視覺空間感受野。在學習階段，被試反覆觀看屏幕上快速移動的光點。在前後測試階段，在運動軌跡的不同位置短暫呈現光點，記錄感受野位於運動軌跡的電極信號，考察光點能否誘發運動序列的重放。
圖1 實驗刺激與立體顱內腦電記錄位點
14李家立課題組在Nature Communications上發表文章 發現腦衰老新機制——環形RNAs在腦衰老中的生物學作用
2020年7月17日，北京大學麥戈文腦科學研究所/北京大學中國藥物依賴性研究所研究員李家立課題組在Nature Communications上發表了題為「CircGRIA1 shows an age-related increase in male macaque brain and regulates synaptic plasticity and synaptogenesis」的論文。
儘管circRNAs在哺乳動物的大腦中具有豐富的表達，同時也展現出動態的表達變化，但是它們是否與大腦衰老的發生發展有密切聯繫，目前仍然未知。在上述工作基礎上，研究人員發現，circGRIA1，一個由興奮性胺基酸受體-AMPA受體亞基Gria1基因衍生的circRNA亞型，在雄性獼猴腦內多個腦區呈現顯著地增齡性表達升高；而且與Gria1 mRNA表達水平有明顯的負相關。
進一步檢測發現circGRIA1除了少部分表達分布在神經元胞漿和突觸附近外，其主要分布於神經元的細胞核中，並發現其能夠與Gria1基因啟動子區域有相互作用，通過順式作用調控Gria1 mRNA表達。體外和體內操縱circGRIA1表達能夠負性調節Gria1 mRNA和蛋白質水平，敲低circGRIA1可顯著地改善老年雄性獼猴海馬神經元的突觸可塑性及突觸再生。
上述研究結果揭示了腦內特異性circRNAs動態表達和生物學作用參與了大腦衰老過程。相關研究發現也為進一步認識和理解靈長類動物複雜的大腦結構和功能，尋找參與腦衰老進程的調控因子提供了新證據，也為探索衰老相關神經疾病的機理和幹預措施提供了參考。
15張航課題組在《PNAS》上發表文章揭示：人類為何「扭曲」概率信息
2020年8月25日，北京大學心理與認知科學學院、北京大學IDG麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心的張航研究組在美國科學院院刊（PNAS）上發表了題為「The bounded rationality of probability distortion」的文章[1]，提出了一個新的理論模型來解釋人類在加工概率信息時的系統性錯誤。她們發現，看似非理性的「概率扭曲」現象其實可能是大腦在有限的認知資源下優化信息傳遞的結果，可以借用諾貝爾獎和圖靈獎獲得者Herbert Simon的「有限理性」(bounded rationality)一詞[2]來描述。
16唐世明課題組合作在《Neuron》上發表文章揭示大腦中顏色感知的調色板機制
2020年8月26日，《Neuron》期刊在線發表了題為《獼猴V1，V2和V4等級化的顏色處理機制》的研究論文，該研究由中國科學院神經科學研究所王偉研究組與北京大學生命科學學院、北京大學麥戈文腦科學研究所唐世明研究組合作完成。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。
研究發現，大腦能感知豐富多彩的顏色世界並非順理成章的事。在初級視皮層V1中，對於處在可見光波段兩端的紅色和藍色，選擇性反應的神經元要比編碼其他顏色的神經元多，但這種不均衡的「調色板」在V2腦區逐漸得以改善，而在V4對7種顏色編碼的神經元數量上則已經變得較為均衡，形成調和均衡的七彩調色板。因此，大腦中與我們主觀顏色感知匹配的色調圖（調色板）是在較高級的皮層完成的。
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），研究者發現大腦中編碼顏色的神經元（調色板），隨著視覺皮層處理等級上升，存在一個逐步調和、均衡的腦機制，最終與我們主觀認知的色調空間相匹配。
17李毓龍課題組合作在《Science》發表文章揭示腺苷在睡眠穩態調控的神經環路機制
2020年9月4日，《Science》雜誌發表了題為《Regulation of sleep homeostasis mediator adenosine by basal forebrain glutamatergic neurons》的研究論文，該研究由北京大學生命科學學院、北京大學麥戈文腦科學研究所、北大-清華生命科學聯合中心李毓龍研究組與中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室徐敏研究組合作完成。該項研究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。
18李毓龍課題組合作在《Nature Methods》雜誌上發表文章 揭示了新一代乙醯膽鹼探針實現體內乙醯膽鹼信號的精確解析
2020年9月28日，北京大學李毓龍實驗室和北京腦科學與類腦研究中心井淼實驗室合作，在Nature Methods雜誌以Article形式在線發表了題為「An optimized acetylcholine sensor for monitoring in vivo cholinergic activity」的研究論文，報導了新一代高靈敏乙醯膽鹼螢光探針的開發及其在多種模式生物中的成功應用。
在本工作中，研究者基於已發表的第一代GRAB乙醯膽鹼探針進一步進行突變篩選和理性設計，成功獲得了對乙醯膽鹼具有約300%螢光信號響應的新版本探針（ACh3.0），其在信號幅度上相比第一代探針有3倍以上的提升，且仍保持著對乙醯膽鹼的分子特異性和亞秒級的動力學特性。更重要的是，通過對探針進行設計和優化，ACh3.0探針在結合乙醯膽鹼後不會激活內源的信號通路，這使得探針可以安全地作為「檢測器」表達於細胞上，而不會對細胞本身的生理功能帶來影響。綜合而言，新版本的探針在檢測乙醯膽鹼方面兼具了細胞特異性表達、高靈敏性、高親和力、快速反應速率以及高選擇性，這為其在活體內精確解析乙醯膽鹼的動態變化奠定了基礎。
圖一：新一代乙醯膽鹼探針的開發及其刻畫。
19李毓龍實驗室合作在《Nature Methods》雜誌上發表論文 實現新型紅色螢光多巴胺探針和第二代綠色螢光多巴胺探針的開發及應用
2020年10月22日，北京大學李毓龍實驗室、紐約大學Dayu Lin實驗室和美國國立衛生研究院Guohong Cui實驗室合作在Nature Methods雜誌在線發表了題為「Next-generation GRAB sensors for monitoring dopaminergic activity in vivo」的研究論文，報告了新型紅色螢光多巴胺探針和第二代綠色螢光多巴胺探針的開發及應用。
研究者在發表的第一代探針的基礎上，對多巴胺探針進行了進一步的改造和優化。本工作的亮點之一為開發出新型的具有紅色螢光的多巴胺探針（rGRABDA1m和rGRABDA1h），可與其他綠色螢光探針（如鈣離子探針，神經遞質探針等）共同使用，實現多種信號的同時記錄。工作亮點之二為優化出具有更高靈敏度及成像信噪比的第二代綠色螢光多巴胺探針（GRABDA2m和GRABDA2h）（圖1），其較第一代探針在反應幅度上提升了2-3倍。針對新一代多巴胺探針，研究者在細胞、腦片、果蠅、小鼠中對其表現進行了系統地刻畫，並通過一系列對照實驗對探針信號的特異性進行了驗證，為該工具的未來應用提供了詳盡的信息。應用新一代靈敏的多巴胺探針，研究者在清醒的、自由活動的動物深部腦區中記錄了多巴胺的動態變化，並研究了多巴胺隨著動物不同精細行為過程發展而產生的變化。
圖1. 新型紅色螢光多巴胺探針和第二代綠色螢光多巴胺探針在HEK293T細胞中的螢光響應情況
以上內容來源：北京大學麥戈文腦科學研究所