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2017年诺奖预测:脑成像重磅级研究解读

10月诺贝尔奖月马上到来,随着颁奖时间越来越近,很多科学家们都开始预测2017年的诺奖获得者;从2002年开始,汤森路透社每年都会进行诺贝尔奖的预测,近期汤森路透公布了2017年的预测名单,其中共有四位科学家入选生理学或医学领域,包括来自美国匹兹堡大学医学院的特聘教授张远(发现了人类疱疹病毒)、威尔康乃尔医学院癌症生物医学教授Lewis C. Cantley(发现了磷酸肌醇-3-激酶(PI3K)信号通路,同时阐明了其在肿瘤发展过程中所扮演的关键角色)、英国伦敦大学学院教授Karl J. Friston(在脑成像数据分析方面做出了重要贡献)。

本文中,小编整理了近年来脑成像相关的重磅级研究,分享给大家!

【1】人脑成像技术揭开神秘大脑,有助于治疗精神疾病

科学家相信,HDAC的含量高低与基因的变化程度有关。HDAC含量最高的脑区,也是基因最不易发生变化的脑区。因此HDAC含量过高会阻碍人类的学习能力,即使在正常的人脑中也是如此

新的人脑成像技术将揭示基因如何激活活跃的人类大脑。

科学家首次用大脑扫描技术揭示了基因在大脑活动中的变化,这项发现将有助于阿尔茨海默综合征、精神分裂症以及其他大脑紊乱所导致的疾病的治疗。这还不是全部,进一步的研究还将帮助科研人员评估药物对这些疾病的疗效。

“遗传还是环境”

来自哈佛医学院的研究人员正专注于研究一种分子,这种分子能够控制缠绕在决定基因构成的蛋白质周围的DNA的紧密程度。想象一下DNA就像是线圈,这些蛋白质就好像一根轴线。线圈缠绕轴线的紧密程度将影响DNA的基因表达。这些被称作组蛋白脱乙酰基酶(histonedeacetylases,简称HDAC)的分子是决定DNA缠绕蛋白紧密程度的分子,比如在阿尔茨海默综合征患者的大脑中管控人类记忆部分的HDAC酶含量很高。

【2】Journal of Neuroscience:中科院生物物理所脑成像团队关于注意行为中基于振荡的时间组织取得突破

doi:10.1523/JNEUROSCI.4856-13.2014

《Journal of Neuroscience》杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所脑与认知国家重点实验室脑成像团队罗欢研究员和周可研究员的最新合作研究成果:"Behavioral Oscillations in Attention: Rhythmic Alpha-pulses Mediated through Theta-Band". 这是脑成像团队在时间组织领域的重要成果。

传统认为,即使脑神经活动在时间上是快速变化的,认知行为(各种认知任务指标,包括正确率、反映时等)反映的仍然一般都是一个较为缓慢的过程。本研究采用高时间分辨率方式来研究注意行为的动态时间组织过程,发现:(1)经典的空间注意行为表现在这个动态过程的低频段上;(2)空间注意行为包含大量动态振荡成分(包括10Hz alpha 频段等);(3)空间注意行为的很多动态特性都和以往电生理记录中的动态振荡特征一致(例如低频段和高频段的耦合等)。

【3】Neuron:逆天研究!大脑成像可预测人类将来的行为

doi:10.1016/j.neuron.2014.10.047

非侵入性的大脑扫描,比如功能性磁共振成像,可以对人类大脑进行最基础的研究探索,但其对人类的日常生活却影响较小;近日,一篇发表于国际杂志Neuron上的研究论文中,来自麻省理工学院的研究人员通过研究表明,大脑成像或可预测个体将来的学习、犯罪及健康相关的行为,并且可以预测出个体对药物或行为疗法的反应情况,相关研究或为进行个体化教育及临床实践提供帮助。

文章中研究者描述了大脑成像技术对个体将来一系列不同行为预测的潜力,包括婴儿潜在的阅读表现力,学生潜在的数学能力,罪犯重复犯罪的可能性,未成年人将来的药物及酒精滥用的可能性以及成瘾者疾病复发的可能性。

研究者John Gabrieli表示,目前我们在学校里,亦或者是在心理健康上会经常遭受失败,如果我们可以利用神经影像技术来鉴别出个体未来在哪些事情上失败风险较高,那么我们完全就可以避免一些失败的事情,比如心理疾病,犯罪等。

【4】Science:利用磁共振成像技术成功预测个体大脑活性的差异

doi:10.1126/science.aad8127

最近,刊登在Science杂志上的一项研究论文中,来自牛津大学的研究人员通过研究表示,目前我们或许有可能利用游离状态的fMRI成像技术(功能磁共振成像图像)来预测机体在行使特殊任务过程中大脑的活性。研究者在文章中描述了他们的大脑扫描分析结果,同时他们也构建出了特殊模型来供后期研究使用。

截至目前为止,很多研究都希望更好地理解个体在一动不动思考事情过程中的大脑活性和其个体在具体活动过程中的大脑活性之间的关系;这项最新研究中,研究者重点对个体进行研究,他们想知道是否来自无任务状态下进行思考的个体的fMRI成像结果可以被用来预测相同人群的特殊大脑模式。

文章中研究者分析了来自98名参与者大脑的fMRI图像结果及储存在人脑连接组计划(HCP)数据库中的可用数据,这些研究者在研究初期被告知一动不动,此时利用fMRI采集参与者图像,随着他们开始思索不同的活动,并且开始从事相关的活动,此时再对这些个体大脑的活性图谱进行采集;这些研究数据就可以使得研究者构建一种模型,用来预测在特定活动期间个体的大脑行为变化。

【5】大脑成像新技术:分辨率水平达毛细血管级

研究癌症和其它侵入性疾病的科学家的工作依赖于高分辨率的成像技术,科学家们使用这些技术来检测肿瘤和身体深部组织的活动。美国圣路易斯华盛顿大学的汪立宏(Lihong Wang)博士和他的研究小组发明了一种新的高速、高分辨率的成像方法。使用这种方法,能够对活体小鼠大脑的血流、血氧、氧代谢和其它功能进行检测,速度比此前的方法都要快。

这些是快速功能光声显微镜拍摄到的小鼠大脑的图像。左图是投射到x-y轴二维平面上的完整颅骨内的脉管系统。中图是投射到x-z轴二维平面上的典型的大脑脉管系统增强成像图像。右图是小鼠大脑血红蛋白氧饱和的光声显微镜拍摄的图像,是通过两束激光,利用基于单波长和脉冲宽度的新方法拍摄到的。

汪立宏是圣路易斯华盛顿大学工程与应用科学学院的Gene K. Beare生物医学工程教授。使用光声显微镜技术(PAM),以及他实验室此前研发的一种基于单波长和脉冲宽度的技术,汪立宏的团队得以对血氧水平进行更加快速的测量,测量速度比此前他们使用的快速扫描光声显微镜技术(fast-scanning PAM)快50倍,比声音分辨率系统(acoustic-resolution system)快100倍,比基于磷光寿命的双光子显微镜技术(phosphorescence-lifetime-based two-photon microscopy,TPM)快超过500倍。

【6】Nature:首次绘制出大脑蕈状体中的完整神经连接图

doi:10.1038/nature23455

在过去几年,通过与美国霍华德-休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区密切合作,来自美国哥伦比亚的L. F. Abbott、德国康斯坦茨大学的Andreas Thum和英国剑桥大学的Marta Zlatic、Albert Cardona利用高分辨率三维电子显微镜技术重建神经细胞和它们通过突触形成的连接组(connectome)。探究这种神经回路将有助在未来研究大脑如何学习新事物和随后将它们作为记忆进行存储。相关研究结果于2017年8月10日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“The complete connectome of a learning and memory centre in an insect brain”。

论文第一作者、康斯坦茨大学的Katharina Eichler在经过显微拍照的果蝇幼虫大脑中,手工记录了它们的大脑蕈状体(mushroom body)中的大约400个神经细胞,并且重建了大约1万个突触中的每一个。这项研究代表着这些研究人员为构建果蝇幼虫整个大脑的完整接线图作出的重大贡献。为此,这些来自全世界20多个实验室的研究人员正在合作重建果蝇大脑中的所有10000个神经细胞。通过为果蝇幼虫的大脑蕈状体构建模型,他们重建了这种多功能的大脑结构的将近8000个细胞。在未来两到三年内,果蝇大脑中的所有连接将会被绘制出。

【7】新型成像技术或可对大脑化学信号实现实时监测

新闻阅读:Brain's chemical signals seen in real time

近日,来自国外的神经科学家开发了一种新方法,可以实时观察大脑中化学信使的水平起伏状况,同时研究者们还能够观察到当小鼠对声音产生反应流口水时大脑中神经递质水平的激增,就像巴浦洛夫的狗一样,一听到铃响,就会分泌唾液。

这项研究发表在8月22日在费城举办的美国化学协会年会上,研究人员利用这种新技术就可以帮助阐明神经递质的复杂语言,最终或将帮助科学家们更好地理解大脑的回路。大脑的电涌现象很容易去追踪,但检测驱动这一活性产生的化学信号却非常困难,即在大脑细胞和促使大脑细胞激活之间循环的神经递质,来自MIT的研究者Michael Strano指出,这是大脑中所隐藏的信号网络,我们需要利用工具去揭开它神秘的面纱。

在大脑的很多结构中,神经递质都可以在不能检测到的极低水平下存在,通常情况下,研究者通过抽取神经元之间流动的液体并且在实验室中分析其内容,来监测大脑神经递质的水平,但这种技术并不能实时测定神经递质的活性。另外一种选择就是将金属探针插入到神经元之间的空间中来测定当神经递质接触金属探针时神经递质所产生的化学反应,但这种探针不能有效区分在结构上相似的分子,比如多巴胺等,多巴胺主要参与机体的愉悦感和奖惩机制,而去甲肾上腺素则参与机体警觉度的表现。

【8】脑部扫描帮助预测昏迷病人恢复能力

doi:10.1212/WNL.0000000000002196

近日,来自法国的科学家在国际学术期刊Neurology上发表了一篇文章,他们发现对处于昏迷状态的病人进行脑部扫描或可帮助预测病人是否可以恢复意识,研究人员也对调节意识形成的各个脑部区域之间的联系进行了研究。

这项研究共包含27名因严重脑损伤而处于昏迷状态的病人,研究人员利用功能性磁共振成像技术对这些病人与14名同年龄的健康参与者进行脑部扫描,处于昏迷状态的病人在镇静剂药物排出体外之后进行了检查。在这27名病人中有4人在脑损伤发生三个月后恢复意识,其余病人仍保持了最低限度的意识状态或植物状态。

在进行扫描之后研究人员观察到所有处于昏迷状态的病人其脑部区域与后扣带回皮质之间的联系都存在明显的中断,无论是因为头部损伤还是因为缺氧导致的昏迷,都存在相同的变化。

【9】PNAS:脑部成像告诉你儿童如何遗传父母的焦虑

doi:10.1073/pnas.1508593112

近日,来自美国威斯康星麦迪逊大学的研究人员利用恒河猴进行研究发现,焦虑性格的父母很可能会产生焦虑性格的孩子。这项研究为了解焦虑和抑郁如何从亲代传递到子代提供了深入见解。

早先的一项研究发现焦虑性格是可以遗传的,并且大脑中一些神经回路也参与其中。参与研究的儿童大多表现出极端的焦虑情绪,并有一半左右的儿童在后来的生活中发生了应激性精神紊乱疾病。猴与人类似,也会表现出性格上的焦虑并可以将焦虑相关基因传递到下一代。

在这项研究中,研究人员对来自同一个大家族的近600只年轻恒河猴进行了研究,结果发现有35%左右的焦虑倾向可通过家族史进行解释。为探究大脑的哪些区域参与了焦虑性格的代代相传,研究人员将年轻的猴置于轻微的应激环境下,利用高分辨率的功能性和结构性脑成像技术对存在焦虑相关行为的恒河猴的大脑进行了观察,脑部区域代谢出现增强就表明焦虑水平增加。

【10】Cereb. Cortex:新成像方法揭示人类大脑如何适应损伤

doi:10.1093/cercor/bhs423

据物理学家组织网近日报道,美国卡内基梅隆大学认知脑成像中心(CCBI)的科学家首次采用了一种新的组合神经成像方法,能够确切发现人类大脑是如何适应损伤的。发表在《大脑皮质》杂志上的相关研究报告显示,当一个大脑区域的功能丧失时,备用的次要大脑区域就会立即活化起来,取代不能工作的大脑区域以及它的“同盟者”。

CCBI主任马赛尔·贾斯特表示,人类大脑的一种特殊能力就是适应多种类型的损伤,如创伤性脑损伤和中风等,使得人们的大脑能在关键的脑区域受伤后,继续维持工作。而这也提示了人类如何能通过训练自己的大脑,使其变得更易于恢复。秘密就在于开发替代性的思维模式,令自己的大脑成为全能选手,以备不时之需。

研究人员借助功能性磁共振成像(fMRI)技术,研究了16个健康成人的大脑将如何适应暂时性的韦尼克区失效,该区域是大脑涉及语言理解的关键区域。他们在fMRI扫描的中间区域应用了经颅磁刺激(TMS)方法,来短暂中断受试者韦尼克区的正常工作。在进行磁共振成像扫描时,科学家会分别在TMS实施之前、之中和之后对受试者进行有关句子理解的测试。

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