反思:20世纪神经科学学科思想的发展与演化

神经科学在刚刚过去的20世纪里通过与诸如生理学、诊断学、药理学的交叉与融合,取得了长足的发展。特别是分子生物学和系统论的引入给神经科学带来了翻天覆地的变化。然而,最值得称道的还是学科思想的发展和演化。神经科学家们把"自下而上"的还原论和"自上而下"的系统论运用到了研究之中,在两个不同的方向上推进了人们对神经现象的理解。这一学科思想的建立与完善,对21世纪神经科学的研究发展以及其他自然学科的进步都具有一定的指导和借鉴作用。

脑功能联结图谱与类脑智能研究——中国科学院脑科学研究进展

人类大脑是自然界通过漫长进化而产生的最精细和复杂的器官，对大脑的认知是人类认识自然和自身的终极挑战，对脑功能的破译需要在多个层次上解析脑网络系统的联结方式与规则，最终得到脑网络结构及其功能的“线路设计图”，这是脑科学的战略制高点。为了探讨脑网络图谱这一重大问题，

人胚神经干细胞定向诱导分化为多巴胺能神经元的实验研究

目的 建立神经干细胞与骨髓基质细胞的共培养系统,根据该系统的条件性培养液诱导多巴胺能神经元的分化。方法 来源于胎脑海马、纹状体、额叶、中脑的神经干细胞与骨髓基质细胞建立起各自的共培养系统,并根据数种条件性培养液诱导神经干细胞的分化,以免疫细胞化学检测神经元的总体分化率及多巴胺能神经元的诱导率。结果 骨髓基质细胞及CO-BMSC能显著提高不同来源的神经干细胞的神经元分化率,同时只有中脑神经干细胞能被有效地进行多巴胺能神经元的诱导。结论 共培养系统诱发了神经干细胞与骨髓基质细胞的自/旁分泌作用,该作用可根据神经干细胞的区域特异性有效的定向诱导中脑神经干细胞的分化。

未来中国科技发展的战略选择(一)

2002年12月26-27日,科学技术部在北京举办了首届"中国科技发展新世纪论坛"。来自海内外著名大学和科研机构的高层科学家及科技发展战略专家,以及科学技术部、中国科学院、中国工程院、国家自然科学基金委、中国科学技术协会的负责人,共五十余人参加了论坛。会议的主要议题是:未来二十年世界科技发展趋势,特别是有可能形成新突破的领域分析;全球化给发展中国家科技进步带来的机遇与挑战,特别是中国在全球科技发展中的地位、作用;科技社会化对科技发展的影响及如何建立科技与社会的互动机制;当前中国科技政策评价及政策建议;未来中国科技发展的战略选择。与会专家学者围绕会议主题畅所欲言,提出了许多具有建设性的见解和建议。为了引起全社会更多地关注中国科技发展,我们将与会者的发言进行了整理,独家刊载,以飨读者。

大鼠脊髓背角神经元中酸敏感离子通道的特性和功能研究

酸敏感离子通道(ASICs)是一类能被细胞外酸所激活的配体门控离子通道。本文综合报道大鼠脊髓背角神经元中ASICs的亚基组成及其功能性调节:(1)脊髓背角主要表达ASIC1a、ASIC2a和ASIC2b,但不表达ASIC1b和ASIC3;(2)在脊髓背角神经元中酸诱导电流可能由ASIC1a同聚体通道所介导;(3)胞外痛觉信号如实验性缺血和神经肽FMRF可以通过不同的机制增强脊髓背角神经元酸诱导电流;(4)炎症痛可以上调脊髓背角ASICs在转录和蛋白水平的表达。上述各点提示,在生理或病理情况下脊髓背角ASICs对脊髓水平的感觉信息传递特别是痛觉的传导可能发挥着重要作用。

适合类脑脉冲神经网络的应用任务范式分析与展望

类脑脉冲神经网络(SNN)由于同时具有生物合理性和计算高效性等特点,因而在生物模拟计算和人工智能应用两个方向都受到了广泛关注。该文通过对SNN发展历史演进的分析,发现上述两个原本相对独立的研究方向正在朝向快速交叉融合的趋势发展。回顾历史,动态异步事件信息采集装置的成熟,如动态视觉相机(DVS)、动态音频传感(DAS)的成功应用,使得SNN可以有机会充分发挥其在脉冲时空编码、神经元异质性、功能环路特异性、多尺度可塑性等方面的优势,并在一些传统典型的应用任务中崭露头角,如动态视觉信号追踪、听觉信息处理、强化学习连续控制等。与这些物理世界的应用任务范式相比,生物大脑内部存在着一个特殊的生物脉冲世界,这个脉冲世界与外界物理世界互为映像且复杂度相似。展望未来,随着侵入式、高通量脑机接口设备的逐步成熟,脑内脉冲序列的在线识别和反向控制,将逐渐成为一个天然适合SNN最大化发挥其低能耗、鲁棒性、灵活性等优势的新型任务范式。类脑SNN从生物启发而来,并将最终应用到生物机制探索中去,相信这类正反馈式的科研方式将极大的加速后续相关的脑科学和类脑智能研究。

脑科学的未来

本文阐述了国际学术界关注的脑科学关键问题。介绍有关中国脑科学计划“一体两翼”的内容以及脑科学未来发展的3个方向:理解脑、保护脑、模拟脑。同时也对当今脑科学研究总体状况进行了评论。

博学笃行——我追求的科学路

作为一名年轻的生理学工作者，我第一次参加张锡钧基金会全国青年优秀生理学论文交流会，与来自全国各地的生理学界专家、学者及年轻同行们共聚一堂，在宽松而热烈的氛围中畅所欲言、相互交流。我的论文有幸获得一等奖，自己的心情久久不能平静，有欢喜、激动，也夹杂着些许的忐忑。取得这样的成绩，我要感谢中科院神经科学研究所的徐天乐研究员的谆谆教导。同时，也由衷的感谢中国生理学会张锡钧基金会给我们年轻人提供了展示自己和相互交流、学习的机会。这次获奖，

神经干细胞标志物nestin在成人Müller细胞中表达特征的初步研究

目的研究神经干细胞标志物巢蛋白(nestin)在原位和体外培养成人Müller细胞中的表达特征。方法取正常成人眼球,制备冷冻切片,采用免疫荧光方法对谷氨酸合成酶(GS)和nestin进行双标检测;采用免疫荧光方法检测原代和传代培养的Müller细胞nestin表达;取原代培养的成人Müller细胞给予过氧化氢(H2O2)刺激,采用免疫荧光方法检测胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和nestin的表达,并计数分析。结果在成人眼球切片中,原位成人Müller细胞GS免疫荧光染色阳性,但nestin染色阴性。原代培养的Müller细胞中检测到部分nestin阳性表达的细胞,10代以内细胞nestin阳性比例为(15.16%±5.07%)^(22.42%±4.6%),且代次间无显著差异。H2O2刺激原代培养的Müller细胞后,GFAP阳性细胞数增加,是对照组的1.30~2.08倍,但nestin阳性细胞比例未见显著变化。结论正常成人Müller细胞原位时呈静息状态,不表达干细胞标志物nestin;体外培养条件可能作为一种刺激因素使部分Müller细胞离开静息状态呈现干细胞特性;人Müller细胞在体外传代及H2O2刺激后nestin阳性细胞数未见显著变化,提示并非全部Müller细胞均具有干细胞潜能,成人Müller细胞可能存在不同的亚型。

痒觉神经机制的研究进展

痒是一种能引起强烈搔抓欲望的不愉快感觉。痒觉信息从皮肤产生,由外周神经元传入脊髓,经处理后最终传输到大脑。与外周、脊髓水平相比,痒觉在大脑水平的研究还相对较少。得益于近几年在体研究技术的发展,解析痒觉信息传递的大脑中枢神经环路机制成为可能。随着神经科学研究技术的快速进步,一系列解析痒觉在脑内处理机制的重要成果被陆续报道。本综述主要总结了痒觉,尤其是化学痒,从外周到大脑的研究进展。

免疫细胞分泌研究进展

细胞分泌活动涉及一系列复杂的分子活动和信号转导过程 ,它是许多重要生命活动如神经递质的释放、内分泌激素分泌、蛋白质转运等的基础。故而有关细胞分泌活动的研究近年在国际上形成一个新的热点。有关免疫细胞中细胞因子的分泌机制研究的较少 ,将膜电容测量、电化学测量、光学测量、胞内信号分子光解等近年发展起来的生物物理方法引入免疫学领域 ,对研究免疫细胞的分泌调控和信号转导意义重大。

脑源性神经生长因子抑制苯丙氨酸诱导的神经元凋亡

目的观察苯丙氨酸是否诱导体外培养神经元凋亡及脑源性神经营养因子(BDNF)对苯丙氨酸诱导的神经元凋亡是否有保护作用。方法胎鼠大脑皮层神经元培养3d后,加入0.9mmol/L苯丙氨酸或同时加入100ng/ml BDNF诱导,原位末端标记法(TUNEL)检测凋亡细胞,Western blotting检测caspase-3的活性。结果神经元在苯丙氨酸诱导18h、30h后,凋亡细胞明显增加(P<0.01),而同时加入BDNF后则可减少凋亡的发生(P<0.05)。并且BDNF抑制苯丙氨酸诱导caspase-3的激活。结论高浓度苯丙氨酸诱导体外培养神经元凋亡依赖cas-pase-3的激活,BDNF能抑制苯丙氨酸诱导的神经元的凋亡。

NVP-AAM077和Ro25-6981对全脑缺血小鼠海马神经元损伤及BDNF表达的影响

目的探讨N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA)亚基NR2A和NR2B特异性拮抗剂对脑缺血/再灌注后海马CA1区神经元损伤的不同影响及其可能机制。方法制作三动脉阻断(3-VO)小鼠全脑缺血模型,小鼠随机分为假手术组、脑缺血/再灌注(I/R)对照组、NVP-AAM077(NVP)干预组和Ro25-6981(Ro)干预组;应用Fluoro-JadeB(F-JB)和Nissl染色检测海马神经元变性死亡和存活情况,Western blot对脑源性神经生长因子(BDNF)蛋白表达水平进行定量分析。结果①小鼠全脑缺血12min/再灌注3d后,海马CA1区出现选择性迟发性神经元死亡,NVP干预组增加了缺血所致的海马神经元死亡(P<0.05),而Ro干预组CA1区神经元存活数量明显多于缺血/再灌注组(P<0.01);②NVP干预能明显下调缺血/再灌注所致的海马组织BDNF蛋白表达升高(P<0.01),而Ro干预能明显上调BDNF蛋白的表达(P<0.05)。结论 NMDA受体亚基NR2A和NR2B在小鼠脑缺血/再灌注损伤中具有不同的作用,其机制可能与调节BDNF表达改变有关。

阻断NR2A可增强脑缺血小鼠海马神经元树突棘丢失和认知功能障碍

目的探讨N-甲基-D-天门冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR or NR)亚基NR2A在脑缺血再灌注引起的海马CA1区神经元树突棘丢失和认知功能障碍中的作用。方法制作三动脉阻断(3-VO)GFP转基因小鼠全脑缺血模型,小鼠随机分为假手术组、脑缺血再灌注(I/R)组和NVP-AAM077(NVP)干预组;应用跳台试验测试小鼠学习记忆能力,激光共聚焦和Neurolucida软件分析检测海马CA1区神经元形态及树突棘的变化。结果学习记忆能力测试发现,I/R组明显差于sham组(P<0.05),NVP干预组差于sham组和I/R组(P<0.05);I/R组CA1区神经元树突棘的数量明显少于假手术组(P<0.01),NVP干预能进一步增加缺血/再灌注所致的CA1区神经元树突棘的丢失(P<0.05)。结论 NMDA受体亚基NR2A在小鼠脑缺血再灌注所致树突棘丢失和脑认知功能损害中具有重要作用。

神经细胞迁移导向的分子机制

自 1 9世纪以来的研究表明 ,在胚胎发育期间和出生后 ,包括人在内的哺乳动物神经系统的大部分神经细胞 (也许是所有神经细胞 )都要经过一定距离的迁移运动才能抵达它们发挥功能的部位。这些细胞如何知道往哪个方向迁移呢 ?我们在分子水平对这个问题进行了研究。 1 999年发表的结果给出这样一个答案 :脑内存在导向性分子 ,可以指导神经细胞的迁移方向 ;具体的发现是 ,一个叫Slit的分泌性蛋白质 ,对神经细胞有排斥性作用 ,它的浓度梯度指导神经细胞迁移的方向。

多巴胺和5-羟色胺神经元发育的基因调控途径

多巴胺神经元和5-羟色胺神经元是两种脑内控制多种生理功能的神经元,它们的发育(产生、分化和成熟等)受到胞外信号分子和胞内转录因子的调节。这方面的研究不断取得重要突破,本文将对最近的进展进行讨论。

求索大脑智慧本质,照亮类脑智能之路

宇宙创生→生命爆发→智能演生→人工智能,这是一条演化的历史长河。时代在问,脑与心智从哪里来,将到哪里去?人工智能的前途和命运是怎样的?人类文明的前途和命运是怎样的?大脑智能和人工智能怎样才能相互照亮?是否有不依赖于大数据、大算力和大模型的智能路线?人工智能可否通过完全不同于生物进化的另一条道路通向“心智”?脑智创造力如何演化为新质生产力?这些问题的核心仍然是人类大脑在整体上是怎样工作的?本文将从微观—介观—宏观—宇观的尺度上来勾勒一幅复杂性与简约性辩证统一的图景。

骨髓源性心肌细胞瞬间外向钾电流状态的研究

目的:研究骨髓源性心肌细胞的膜瞬间外向钾电流(Ito)的状态。方法:取健康SD大鼠的骨髓,经梯度离心和贴壁培养获得骨髓基质干细胞,再以3μmol/L的5-氮杂胞嘧啶(5-aza)孵育诱导,利用膜片钳技术,以正常大鼠心室肌细胞为对照,以全细胞记录模式记录骨髓基质干细胞和骨髓源性心肌细胞的膜瞬间外向钾电流。结果:骨髓基质干细胞体外经5-aza诱导后表达心肌特异性蛋白,在诱导14d后的细胞,可记录到动作电位;骨髓基质干细胞在5-aza诱导前即可记录到Ito,但不同细胞间电流密度差别较大,为15.89±11.18pA/pF(n=12);与骨髓基质干细胞相比骨髓源性心肌细胞Ito电流密度(20.45±8.91pA/pF,n=5)较诱导前有增加的趋势,两者有显著差异;Ito电流的密度与心室肌细胞(21.69±7.73pA/pF,n=20)无显著差异。结论:5-aza可在体外有效诱导大鼠骨髓基质干细胞心肌化,与心室肌细胞相比,骨髓源性心肌细胞膜Ito电流密度无显著差异。

细胞外信号调节激酶在缺糖缺氧/复糖复氧神经元中的表达与银杏叶提取物的调节作用

目的研究细胞外信号调节激酶(ERK1/2)在缺糖缺氧/复糖复氧神经元中的表达以及银杏叶提取物的调节作用。方法利用原代培养的皮层神经元,通过去除培养液中的糖和氧(oxygen and glucose deprivation,OGD)模拟缺血缺氧,恢复糖氧供给模拟再灌注。通过免疫蛋白印迹法测定ERK1/2、p-ERK1/2蛋白的表达。再灌注时加用银杏叶提取物(EGB761)观察其对神经元保护作用以及时ERK1/2表达的调节作用。结果缺糖缺氧/复糖复氧后神经元p-ERK1/2表达明显下降,EGB761可剂量依赖地保护神经元活性,并可上调p-ERK1/2蛋白的表达。结论EGB761对培养的神经元缺糖缺氧/复糖复氧损伤有保护作用,该作用可能与激活ERK信号转导通路有关。