腦科學：讀懂大腦，熱愛生命

銅谷賢治：用于心智模擬的神經環路

強化學習算法的開發。銅谷賢治教授團隊通過研究神經系統的強化學習功能環路，開發更為高效的強化學習算法。運動學習功能的強化學習方法包含諸多重要的計算部分，例如從過去狀態或動作中評估當前狀態，通過獎勵預測狀態或動作、動作選擇以及預測狀態的更新。強化學習的對象可以是人、動物或機器人，或者是與環境交互的軟件。團隊致力于開發針對對象的高效算法，并探究大腦的工作機制。

強化學習構架對比。目前主要有兩類強化學習構架，一種是基于模型的，一種是無模型的。無模型構架相對簡單，但是學習速度慢，需要長時間的重復試驗；基于模型的學習構架能夠在當前狀態下運行特定動作，對于感覺輸入的噪聲水平不敏感，并可以先于合適動作預估狀態。因此，對象能夠在深思熟慮的情況下執行動作，這使得模型具有靈活的適應性。但是，基于模型的構架需要更加復雜的內部運算。模型與非模型如何選擇，在工程領域和神經科學領域都是十分有趣的研究課題。采用實現訓練的基于模型的策略進行遞進式模擬，在數據層面是更為有效的，對于感覺輸入的噪聲較強或輸入延遲、缺失的情況有很大幫助。

大腦心智模擬功能機制的理解。在研究實現心智模擬的過程中，根據我們學習的構架，不同腦區傾向于具備不同分工。團隊與其他研究者合作，研究皮層環路在心智生成過程中的作用機制。除此之外，團隊還對強化學習參數控制進行了一系列研究，驗證了大腦參與決策控制的作用機制。心智模擬是十分重要的功能，大腦功能根據當前狀態或通過動作推測的模糊狀態去預測未來狀態。采用先進的腦成像方法和基因編輯方法，可以幫助研究者理解大腦心智模擬的功能機制，幫助我們理解人類意圖產生的原因。

李毓龍：構建新型遺傳編碼探針

基因編碼探針的開發。團隊致力于開發基因編碼探針，以繪制化學神經遞質波譜，用以理解大腦腦區之間的信息交互機制。使用這些工具，團隊研究突觸間的通信方式，研究不同的調制對于疾病和健康狀態下的不同模型系統的作用。團隊研發了一種可遺傳編碼的探針，用于檢測內源性大麻素，該傳感器在體外（培養細胞）和體內均可工作，可用于內源性大麻素分析。

在在體實驗方面，團隊在實驗中采用簡化范式，比如在杏仁體中用腺相關病毒（AAV）引入大麻素傳感器，證明了內源性大麻素的釋放可以在體觀測。與斯坦福大學團隊合作研究了在癲癇小鼠模型的海馬中通過電刺激誘發癲癇活動，并同步記錄局部場電位信號、鈣離子信號和大麻素信號，印證了大麻素傳感器能夠清晰監測癲癇發生時大麻素是如何變化的。

探針的優化與改進。需要設計可選擇性的傳感器，針對需要檢測的大腦生理或病理生理狀況中的反應提供合適方法。團隊采用高結構分辨率策略，構建一套較大的神經遞質傳感器，使用這些新的傳感器，目前團隊已經實現在體、體外的神經遞質動力學檢測。在神經肽領域，使用催產素受體制造第一代催產素傳感器，該傳感器經過基因編碼并快速工作。研究結果表明，相比于傳統觀點認為的神經肽釋放速度可能非常緩慢，實驗結果顯示其釋放速度很快。團隊正在進一步研究樹突釋放的方式，以及如何抑制類似的傳感器真正釋放和分散在大腦中。多巴胺受體可能是體內最大的神經遞質受體，能夠檢測病毒神經化學物質，2020年團隊發布了新一代多巴胺傳感器，可以在體內檢測嚙齒動物的多巴胺代謝。除此之外，團隊還研發了多種其他神經遞質在體傳感器。

銅谷賢治

日本沖繩科學技術大學院大學神經計算系教授。擔任《神經網絡》雜志總編、日本神經網絡協會委員、日本神經科學學會委員。2007年獲得“冢原伸晃紀念獎”和日本學術振興會獎，2012年獲得科學技術領域文部科學大臣獎，2018年獲得國際神經網絡學會唐納德·赫布獎、日本神經網絡學會學術獎、亞太神經網絡學會杰出成就獎等多個獎項。

李毓龍

北京大學生命科學學院、北大IDG麥戈文腦科學研究所、清華大學—北京大學生命科學聯合中心研究員，2019年獲得“科學探索獎”。研究集中在神經元通信的基本結構突觸上，開發前沿的工具，借助先進的工具探究突觸傳遞的調節機制。其團隊在《細胞》《自然》《科學》等期刊發表多篇論文。

神谷之康

京都大學研究生院信息科學與技術系、神經信息學系教授，ATR腦信息交流研究實驗室教授。其研究致力于利用AI和深度神經網絡的思路來可視化大腦的內在圖像。這些神經網絡具有橋接大腦和心智的潛力。

神谷之康：從大腦中重構視覺和主觀經驗

大腦解碼和圖像重建方法的研究。最近，團隊正在使用AI和深度神經網絡的方法來可視化人腦內部活動圖像。在提取特征時，會處理視覺輸入、前饋和反饋交互，從而提供了一種利用層次結構提取視覺特征信息的方法。團隊使用了一種基于大腦解碼和圖像重建的方法，對人的功能磁共振檢測圖像進行重建，進而合成一種在精神意向中喚起的同樣的大腦活動圖像。這表明至少在某些腦區，（客觀的）刺激感知和（主觀的）想象共享相同的視覺特征的表征。因此，可以通過測量客觀的大腦活動來獲得被試者的主觀體驗。這就是我們所說的神經讀心術。

開發出能夠解碼人類大腦活動并將其轉化為圖像的人工智能模型。團隊在黑白圖像空間中重建了任意圖像，將大腦多層活動解碼或轉換為深度神經網絡（DNN）信號。該DNN模型僅使用約400個隨機圖像進行訓練，但是它可以在圖像空間中泛化多達數十億個任意圖像。DNN層與大腦區域之間的分層同源性按分層順序排列，隨著層次結構中層數的增加，DNN單元往往會響應更復雜、更全局的特征。團隊第一次無須借助刺激輸入圖像解碼內心想象影像，即在沒有視覺輸入的情況下重建想象影像。

對于睡眠中的大腦進行圖像初步重建的工作，團隊還在努力找出夢境和圖像重建之間的關聯。團隊使用的DNN模型能夠進行大量的計算操作，可以應用到精神障礙診斷、神經藝術表達等方面。該方法可以有效地結合層次性的神經表征來重建感知圖像和主觀圖像，為了解腦內情況提供了一個新的途徑。

本杰明·貝克爾：調節和確定人腦情緒神經環路

恐懼、痛苦等負面情緒的常規治療方法。過度的情緒反應和情緒調節障礙是精神障礙的關鍵多元診斷特征，與許多精神疾病有關，特別是焦慮癥和創傷后應激障礙。目前，這種痛苦和恐懼經常通過心理療法或苯二氮卓類藥物來治療。但是這些藥物都有很明顯的副作用：頭昏、眼花甚至成癮。

恐懼等負面情緒的解碼及調控能力改善的新方法。一方面，研究人員發現了催產素——一種神經肽，在調節嚙齒動物的恐懼反應中起重要作用。他們將鼻噴催產素應用于健康受試者，然后在功能性核磁共振成像（fMRI）期間對其進行恐懼刺激。催產素可以降低情緒加工核心腦區杏仁核的威脅反應，減少受試者預期的恐懼或焦慮，并增強杏仁核與負責高級執行控制功能的前額葉之間的功能連接，這可能是治療焦慮癥的潛在靶點。另一方面，團隊在健康受試者以及患者研究中進一步發現了恐懼環路。在最初預期威脅或遇到威脅期間，大腦區域如杏仁核或中腦導水管周圍灰質變得非常活躍，并隨后受到前額葉區域的下調。內側前額葉皮層到杏仁核和PAG的環路都參與了恐懼調節。此外團隊還發現，血管緊張素系統與恐懼的消退以及杏仁核和腹外側前額葉的調節密切相關。他們進一步在創傷后應激障礙患者中進行fMRI反饋式神經訓練時，聚焦在相同腦區。根據反饋訓練，研究人員下調雙側杏仁核的活動，然后提供了神經解碼方法來解碼大腦中的恐懼，從而為這種主觀體驗提供生物學手段。隨后，團隊開發了一款神經解碼器，該解碼器可以基于大腦活動來讀出受試者的瞬時恐懼程度，能夠預測瞬時恐懼的主觀體驗。

負面情緒環路調節的臨床意義。本杰明·貝克爾教授認為該研究具有重要的臨床意義，團隊正在嘗試提出減少恐懼的新策略。希望能加快臨床轉化，盡快從健康受試者應用到對患者人群進行真正的臨床研究，進一步與神經生物學特性相結合，快速驗證新療法的治療潛力，以期將來可以用于治療焦慮癥、抑郁癥和自閉癥等焦慮性情緒問題。

本杰明·貝克爾（Benjamin Becker）

電子科技大學生命科學與技術學院特聘教授、神經療法·社會認知與情感神經科學實驗室負責人。研究方向為使用先進的神經成像技術來探索健康受試者大腦的情緒環路，以及精神障礙患者大腦環路的失調。

西本伸志

日本情報通信研究機構腦信息通信技術融合研究中心高級研究員。主要研究方向是對神經信息處理和表征的定量理解。

蒲慕明

中國科學院院士、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任、上海腦科學與類腦研究中心主任。研究集中在利用非人類靈長類動物作為動物模型來研究高級認知功能和人類大腦紊亂。曾獲美國Ameritec獎、中華人民共和國國際科學技術合作獎等。

西本伸志：人腦的感知和認知表征

探索對建立認知過程定量模型的可行性。人類日常生活是通過各種大腦功能的復雜協調來實現的，認知神經科學的基本目標之一是揭示這些功能的完整表征。最近已經出現使用編碼和解碼模型對感知的視聽體驗進行定量表征的研究，但很少有人嘗試建立描述認知過程多個活動的皮層組織的定量模型。

團隊通過功能磁共振成像測量全腦活動，使用運動能量信息的動態視覺特征對大腦活動進行建模，檢查了大腦中時空信息的精確映射，并證明了可以使用逆向建模來解碼來自大腦活動的視覺體驗。為更全面地了解大腦在日常生活中的工作方式，團隊通過使用大規模認知測試試驗擴展了大腦模型。受試者執行103個認知任務，對許多日常生活認知進行采集，包括感知、記憶、語言、內省、邏輯、決策和行動。通過使用兩種認知特征模型分析文本與大腦活動之間的關系，刻畫大腦映射下的認知表征空間，查看其中的某些特征是否可以推廣到解碼大腦活動模型以進行更新穎的測試。

模型一即任務類型模型。該模型簡單地通過二進制表示任務特征，即受試者在每個時間范圍內執行的任務以所謂的單點矢量表示。通過線性回歸建立體素腦活動模型，進一步計算任務誘發的大腦皮層的活動。該模型旨在刻畫哪些大腦區域代表任務的哪些組合，從而獲得易于解釋的結果。

模型二即認知因素模型。模型一是一種易于處理和解釋的模型，但問題在于二進制模型不能推廣到新穎的任務。模型二旨在通過使用人們所謂的神經元數據庫，將每個任務轉移到嵌入認知特征的空間中。團隊計算了從神經癥和大腦活動到已知目標/受試者的數百種認知作用之間的簡單相關性。該模型預測整個皮質區域活動的準確率超過85%，這是神經科學史上對人腦預測性最強的模型。利用連續的、基于元數據的中間特征的認知模型可以預測大腦如何在自然條件下工作并解碼任務，在新的任務條件下也能成功預測從未進行過測試任務的大腦活動并解碼任務。

研究結果表明了認知過程定量模型的可行性，通過在自然經驗和大腦活動之間建立明確的模型來理解大腦，從全皮層角度為解碼人類大腦認知提供了理論基礎。

村山正宜

日本理化學研究所腦神經科學研究中心知覺和認知實驗室負責人。研究興趣集中在單細胞水平和網絡水平上知覺和神經活動之間的因果關系。團隊在《自然》《科學》《神經元》《美國科學院院報》等期刊上發表多篇論文。獲得日本文部科學省頒發的科學技術表彰青年科學家獎。

胡海嵐

浙江大學腦科學與腦醫學學院教授兼教育部腦與腦機融合前沿科學中心主任。研究興趣在探究情緒和社交行為在大腦中的編碼和調控方式，主要側重于抑郁癥和社交優勢的神經回路。獲IBRO-Kemali國際獎和何梁何利獎。

合田裕紀子

日本理化學研究所腦神經科學中心副主任、突觸可塑性和連接性實驗室學科帶頭人。研究興趣集中在特定神經環路內與其他突觸的關系中，單個突觸強度被設置和動態調整的細胞原理。同時關注星形膠質細胞在突觸調節中的作用。

蒲慕明：非人靈長類動物助力生物醫學研究

自我認知與自我意識研究和精神疾病的研究。團隊以阿爾茨海默病失去自我認知能力為典型案例，認為鏡像神經元系統對人類的自我認知和自我意識具有重要作用。這種獨特能力的退化會導致相關的神經退行性疾病如阿爾茨海默病，以及分離性精神障礙如精神分裂癥。

基因編輯開發動物模型。非人靈長類動物與人類進化相似，是理解人類神經生物學和腦疾病研究的重要模型。因此，以獼猴和狨猴為動物模型，研究在靈長類動物中最突出的高級認知功能，例如復雜的執行功能、同理心、社交行為和意識。隨著有效的基因編輯技術，例如CRISPR/Cas9方法的不斷發展，現在已經可以利用基因編輯的方法生成具有模仿基因缺陷表型的猴子。但是，要用作臨床前動物研究，還需要開發擁有具有相對統一的遺傳背景的猴子，類似于被開發為疾病模型的許多小鼠品系。基因編輯工具在敲除某些基因以及最近在利用體細胞核移植克隆獼猴的方法，可用于產生攜帶相同基因編輯的獼猴克隆。這些具有統一遺傳背景的基因編輯獼猴對于研究靈長類動物神經生物學和開發人類疾病的療法非常有用。

非人靈長類動物相關的倫理問題。盡管目前的研究證明猴子疾病模型在生物醫學研究中的有效性，像其他前沿科學技術一樣，對非人靈長類動物的使用不可避免地引發了倫理問題，應該以社會需求為目標來解決這些倫理問題。

村山正宜：成像技術為生物學研究開辟新途徑

知覺與認知的研究。在感官知覺領域，團隊的研究目標在于揭示有助于知覺的神經回路，包括這些回路中的信息流以及引起知覺的神經活動背后的神經機制。最近的研究發現自上而下的反饋回路在知覺中的重要性，而通過使用光遺傳學抑制皮層——皮質相互作用是進行研究的重要手段。在單細胞分辨率下利用成像方法進行研究，不僅可以創造新的視野，而且還可以高分辨率地觀察到神經活動，有助于進一步研究以闡明大腦的特性。

快速、單細胞分辨率、連續的雙光子成像。具有單細胞分辨率、高信噪比且無光學像差的快速且寬泛的成像技術，為生物學研究開辟了新途徑。但是由于這些參數之間不可避免的折中，使得此種成像具有挑戰性。團隊通過結合共振掃描系統，使用具有低放大倍率和高數值孔徑的大物鏡以及高度靈敏的大口徑光電探測器解決了這一問題。其結果表明可以實現幾乎沒有像差、快速掃描的高光學不變雙光子顯微鏡（FASHIO-2PM）。能夠在3mm×3mm連續圖像平面中以7.5Hz的頻率進行鈣成像，其中包括約16000個神經元組成的大型網絡。通過基于單細胞活動的網絡分析，FASHIO-2PM將有助于揭示生物動力學原理。

何生

中國科學院生物物理研究所腦與認知科學國家重點實驗室主任。主要研究方向是人類認知神經科學，特別是視覺認知。他利用心理物理學和腦成像工具來研究視覺對象識別、注意和意識的機制。

托馬斯·麥克休（Thomas McHugh）

日本理化學研究所腦神經科學研究中心電路與行為生理學實驗室學科帶頭人。其團隊利用多學科方法來理解記憶是如何在哺乳動物大腦內形成、儲存和提取的，以及壓力和疾病等因素是如何損害這些功能的。

胡海嵐：抑郁的神經機制——我們從氯胺酮中學到了什么

抑郁癥發病機理。團隊通過研究老鼠的抑郁癥模型發現外側韁核在抑郁癥的病理生理學中的重要性。通過全腦鈣成像的方法對患有抑郁癥的魚進行研究，發現在許多動物模型以及抑郁癥患者中外側韁核均顯示出持續升高的活動。外側韁核是邊緣系統與中腦中樞相互連接的中繼站。

氯胺酮快速持久抗抑郁的全新神經機制。團隊進一步發現，雖然在外側韁核區域的大部分神經元是谷氨酸能的，但這一腦區能夠抑制VTA多巴胺和背側Raphe神經元。NMDAR阻滯劑AP5具有很強的抗抑郁作用。通過一系列精心設計的實驗，團隊能夠證明抑郁癥的潛在神經機制在于外側韁核細胞的過度活躍簇狀放電，進而抑制了邊緣區域基于獎勵的加工。研究表明由于其物理、藥代動力學和藥效學性質，氯胺酮可以成為抗抑郁的重要臨床工具。并進一步解釋了氯胺酮如何通過阻斷大腦外側韁核區域神經元的簇狀放電，終結這種放電對下游單胺類獎賞腦區的過度抑制，從而產生快速和持續的抗抑郁療效。

合田裕紀子：海馬神經元突觸權重分布規律

突觸是大腦中信息傳輸的基本節點，突觸前和突觸后強度具有高度的異質性，在信息傳遞中具有不同功能。理解突觸強度的分布，可以提高網絡的計算能力和存儲容量，并且，這些樹突樹上特定突觸強度的實際空間位置是控制信息輸入/輸出關系的關鍵因素。其研究發現突觸強度存在三種空間模式：隨機連接，突觸在樹突樹中隨機分布；同時具有隨機連接和高度聚集的分支；結構連接，大部分的輸入按照樹突分支聚集。樹突學習規律會根據輸入分布的空間模式而改變，這凸顯了突觸強度空間模式的重要性。

突觸之間的局部相互作用或活性依賴的局部以及稍寬尺度上的相互作用可能會影響簇狀突觸的形成，空間尺度也可能影響樹突細胞的整合，從而影響放電特性。突觸可塑性具有兩種對立的形式：快速、輸入特定的可塑性；緩慢、整體、代償性的穩態可塑性。在一些復雜的情況下，不需要特定輸入，穩態可塑性不再是緩慢、全局的。更復雜的情況是，誘導LTP，該效應可能會擴散到相鄰突觸（即相鄰突觸也被增強）或相鄰突觸可能被抑制。對于LTD則情況相反。

圍繞海馬神經元突觸權重分布規律，團隊圍繞三個具體問題展開了研究：

特定連接中突觸強度的異質性是否具有潛在的結構？

通過在海馬切片組織中突觸前和突觸后的配對分析，發現突觸后強度分離依賴于樹突分支和局部的突觸前輸入。

單個突觸的突觸前和突觸后強度如何經歷活動依賴性變化？

發現對CA3重復連接誘導LTD會觸發刺激和非刺激突觸的可塑性，而在突觸簇上誘導LTP觸發了不同突觸的可塑性，其極性取決于沿樹突段的距離（距離依賴的突觸異質的可塑性）。

有沒有機制控制突觸群中突觸強度分布的形狀？

發現星形膠質細胞信號在群體間影響突觸前強度的變異性。團隊的研究目標是更好地理解局部突觸回路操作的分子和細胞基礎，用介觀/宏觀方法探索大腦功能間的鴻溝，希望對回路性能優化、更好控制神經回路、精準實現分子工具有所貢獻。

何生：腦內反饋信號的功能作用

關于視覺意識相關神經機制的兩個方面：意識的功能，主要通過無意識大腦的能力來進行研究；理解意識的關鍵功能成分，即腦內反饋信號的作用。

團隊在意識功能方面的研究包括通過雙眼競爭任務來研究注意和意識的關系，發現兩者間明顯的分離，空間注意能夠為視域外圖片所吸引或轉移。近期對內克爾立方體的研究發現，即使在無意識狀態下，線條圖的3D結構也能發生適應效應。

腦內反饋信號在視覺對象加工和視覺適應中的性質和影響研究。循環處理在很大程度上依賴于反饋信號。意識的全局（神經元）工作空間理論也有這種自上而下的注意，即一種反饋操作，對意識的起源非常關鍵。另一個有影響力的理論是意識的整合理論，實質是信息整合，即指網絡的因果結構，在很大程度上取決于反饋的相互聯系。其實驗室研究人員利用功能磁共振研究人類大腦，7T核磁共振設備具有較高的分辨率，能夠區分大腦皮層的各個層，基于不同層的反饋信號，可以描繪某些皮層區域的表征主要是由前饋或反饋驅動的。

兩個具體的心理物理學實驗。第一個實驗是心理物理經顱磁刺激干預實驗，目的是檢測當選擇性破壞反饋信號后，大腦發生了什么。實驗中，在周圍物體呈現后，經過不同的延遲時間，在中央凹處注入視覺噪聲。該實驗的邏輯是延遲的視覺噪聲會破壞高級腦區對物體視覺刺激的反饋信號。結果發現反饋信號具有功能相關性、任務依賴性和時間靈活性的特點。第二個實驗是關于皮層區域是否能夠利用反饋信號來調節其敏感性。功能磁共振和EEG結果都表明對方向的表征是反饋驅動的，方向選擇性更加依賴于反饋信號。

研究結果表明，反饋信號在物體識別中發揮重要作用，具有時變性、任務依賴性，在決定視皮層神經元敏感性方面比前饋信號更為重要。

托馬斯·麥克休：皮層下回路對記憶的調節作用

海馬不同區域對動物情節記憶的不同方面各有貢獻。情景記憶可以簡單定義為對所經歷的人、事、地、時的記憶。麥克休教授實驗室利用小鼠，以海馬為模型，從回路水平上理解記憶。海馬可以分為四個主要區域：齒狀回（DG）、CA1、CA2和CA3，現存很多關于不同亞區如何作用于動物情景記憶的不同方面的理論。

下丘腦的新奇信號調節海馬記憶。團隊對海馬與皮層下區域的連接和關系非常感興趣，重點介紹了關于研究海馬和乳頭體上核（SuM）間關系的工作。SuM位于下丘腦后內側，與控制情緒和認知的區域有廣泛的連接，與海馬的DG和CA2分區有直接投射關系，表現出焦慮、情境新奇性、空間工作記憶、壓力、恐懼，是睡眠上行覺醒回路的一部分。過去的研究表明，CA2與社交記憶有關，DG與新奇檢測有關。

團隊的工作結合了解剖學特征、基因干預和在體記錄，以解決非典型的皮層下輸入和輸出如何影響海馬的信息流，并最終影響記憶和行為的問題。這項工作研究了SuM細胞在情境新奇和社交新奇條件下的活動，并取得多項研究發現，如SuM分離并選擇性地將不同類型的信息傳遞到DG和CA2，以調節記憶加工。