磁共振成像在儿童脑智发育研究中的应用及挑战

儿童时期是脑智发育的关键阶段,探索这一阶段脑智发育的规律和影响因素具有重要意义。随着技术的发展,磁共振成像已成为儿童脑智研究的首选脑成像方法。该文综述了不同的磁共振成像方法(结构、功能、质子波谱)及相关脑影像指标在揭示儿童脑发育规律中的作用,并指出在儿童中开展磁共振成像研究所面临的挑战。

空间脑科学研究的回顾与展望

人类大脑是自然界最复杂的系统之一.大脑结构与功能之谜是人类认识自身的终极疆域,对于推动科技创新发展与人类文明进步具有极其重要的意义.载人航天是现代科技革命的重要领域之一,美国、俄罗斯等航天大国已利用空间资源开展脑科学研究.我国空间站的建设,将提供空间脑科学研究的系统创新平台,极大地推进中国空间脑科学计划进程.本文综述了在空间环境或模拟空间环境下,脑发育及生物学机制、认知规律与机制、生物节律和睡眠对脑功能的影响、群脑协同等方面的空间脑科学研究进展,并简述和展望了我国空间脑科学研究的发展方向.

从儿科临床视角看脑科学研究的重大意义

随着全球各国启动了脑研究计划,胚胎期至儿童期这一大脑发育关键阶段的研究逐渐成为脑科学研究的重要任务之一。本文从儿科临床视角,通过目前脑科学研究中儿童脑智发育规律、脑疾病相关研究以及脑科学研究技术在儿童中的应用3个层面,论述儿童脑科学研究的重要意义。

从脑科学、人工智能到应用

脑科学和人工智能是全球科学技术发展的战略制高点。近年来,随着大数据、5G互联网、超级计算、智能信息科学等新理论新技术的快速发展,受神经生物学启发的深度神经网络等机器学习算法迅速崛起,催生了人工智能在智能诊疗、智能机器人、智能制造等领域的成功应用,为战略性新兴产业带来巨大的发展机遇,成为助力全球产业发展和升级的爆发点和增长点。

辣根过氧化物酶标记与样品后染色联用在微观脑联结组学中的应用

三维电子显微成像(volume electron microscopy)是微观尺度脑联结组学(micro-brain connectomics)研究的主要研究手段.自动卷带式连续超薄切片-收片系统(automated tape-collecting ultramicrotome,ATUM)及扫描电镜序列成像系统的联合应用,是三维电镜成像中一种重要的技术手段.该方法利用卷带式收集超薄切片,形成完整的样品切片库,进而在后续成像中形成样品三维电镜成像数据库.根据ATUM系统镜外切片-收片、保留样本切片库等特点,对相应的生物样品制备方法进行改进,包括树脂配方及树脂渗透方式改良,神经元细胞膜辣根过氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)稀疏化标记与样本切片库后染色联用——从而很大程度上减少样品切片的褶皱率,并使得在整体高衬度的样品图像库中高效地识别神经元身份成为可能,最终获得符合脑联结组学所需的高质量成像数据.

青少年24小时活动与心理健康研究的范围综述

背景由于睡眠、久坐行为和身体活动所构成的24 h活动与青少年心理健康关系的研究异质性极大等局限,难以得出足以指导临床实践的高质量证据集合。目的 总结儿童青少年24 h活动(睡眠、久坐行为和身体活动)与心理健康关系的研究现状及其研究设计存在的问题并进行评价,为后续研究提供参考。设计范围综述。方法 检索PubMed、Embase、Web of Science和中国知网数据库,检索时间为建库至2022年9月28日,以睡眠、久坐行为、身体活动、24 h活动、心理健康、青少年为检索词构建中英文检索式,纳入健康儿童青少年人群的24 h活动类型与心理健康之间的相关性或因果推断的研究。通过阅读文题、摘要和全文进行筛选,在数据提取和数据整合中,逐渐完善活动类型、测量方式、测量项目分类、测量具体项目的数据提取表格。主要结局指标青少年24 h活动和心理健康关系的研究类型及其测量工具。结果 中英文数据库共检索到927篇文献,经去重、初筛和全文筛选后,最终纳入55篇文献,其中横断面研究45篇(82%),前瞻性队列研究10篇。睡眠:54篇描述了睡眠时长,4篇评估了睡眠质量、睡眠潜伏期、日间嗜睡情况和睡眠中断情况。久坐行为:50篇为主观报告,5篇为客观报告,46篇涉及屏幕暴露。身体活动:主观报告和客观评估中高强度身体活动时间分别为47篇和8篇。32篇文献关注了抑郁,9篇关注了焦虑,5篇关注了压力,35篇关注了其他心理健康结局(正性情绪、行为问题、生活满意度或健康相关生命质量、心理疾病及症状、情绪调节能力和手机成瘾)。44篇文献探索24 h活动与心理健康的相关性,8篇文献使用等时替代模型探索24 h活动结构的改变,3篇探索24 h活动影响心理健康的中介因素。结论 青少年24 h活动与心理健康的关联研究尚少,所使用的测量工具有待规范统一,未来需针对现行24 h活动推荐时间建立等时替代模型或在真实世界进行干预研究,寻找既能够最大发挥24 h活动的健康效应,又能够让青少年人容易达到的24 h活动时间的推荐组合。

睡眠在儿童早期脑智发育中的作用及启示

儿童早期是脑智发育的关键期,而健康睡眠的促进作用不容忽视。当前,我国儿童健康政策和“脑计划”研究布局均强调促进儿童早期脑智发育的重要性,亟待揭示儿童早期脑智发育规律及可干预因素,形成循证干预政策和方案,并通过推广实施,筑牢健康中国根基。本文系统梳理了我国儿童早期睡眠发展特点及其对脑智发育的重要作用。首先,儿童早期睡眠迅猛变化,虽然睡眠结构逐渐发展成熟,并建立了昼夜节律和巩固的夜间睡眠,但我国儿童睡眠不足、就寝问题和夜醒等睡眠障碍的发生率较高。其次,睡眠通过调节海马的功能可促进长时记忆的形成和巩固,影响学习效果。具体来讲,睡眠会影响婴儿的社会情绪信息加工能力,且睡眠不足的儿童更容易出现情绪行为问题,这与扣带皮层、前额叶及海马等情绪相关脑区功能受损有关。再次,睡眠相关参数能够预测儿童智力发育和问题解决能力水平,并对儿童大脑结构发育产生较大影响。最后,本文建议在深化睡眠对儿童早期脑智发育的影响及机制的研究基础上,形成干预政策和方案,并依托基层妇幼保健和学校卫生体系推广应用,实现促进儿童早期睡眠和脑智发育的规模效益。

上海市学龄前儿童睡眠问题与执行功能的关系

目的调查上海市学龄前儿童睡眠问题和执行功能异常的发生情况,并考察两者关系。方法基于“上海市儿童健康、教育和生活方式调查-学龄前”大型人群队列研究,对991名学龄前儿童进行调查。由家长填写儿童睡眠习惯问卷(children’s sleep habits questionnaire,CSHQ)和学龄前儿童执行功能行为评定问卷(behavior rating scale of executive function-preschool,BRIEF-P)。结果991名学龄前儿童的平均年龄为(6.18±0.29)岁,男童占比52.1%。总睡眠问题发生率为48.6%,以睡眠启动延迟和睡眠时长问题为主。一般执行功能异常的发生率为8.7%,以转换和情绪控制问题为主。一般执行功能异常儿童总睡眠问题的发生率显著高于功能正常儿童(χ^(2)=7.61,P<0.01),其发生风险是功能正常儿童的2.06倍(95%CI:1.22~3.48),且执行功能不同维度异常与不同睡眠问题的发生有关。结论学龄前儿童睡眠问题与执行功能异常密切相关,提示应当进行针对性的综合干预。

实验动物设施运行维护和保养模式探讨

随着我国生物医药产业的蓬勃发展,实验动物行业进入快速发展阶段,相应的设施运行系统建设也更加自动化和智能化。与传统的实验动物设施相比,新设施在送排风、空调、自控及整个屏障的维护方面均需要更加专业的技术团队。临港实验室实验动物设施涵盖大、小动物饲养和实验等功能区域。该设施管理团队总结日常维护经验,并结合实验室运行特点,调研探索多种运行维护模式,然后通过分析3种常见模式的优劣势,为实验动物设施管理提出新的思路,也为同行选择最适合的专业维护保养模式提供参考。

大规模不均衡担保网络贷款的风险研究

中小企业贷款是国民经济活动的重要组成部分,在推动技术创新、促进经济增长和增加民众就业等方面有着不可忽视的作用.但是现有的商业银行授信评估标准主要是为大型企业设计的,很难匹配中小企业的融资需求.因此,为了满足商业银行的信贷标准,很多中小企业通过相互担保的方式来获得融资贷款.当越来越多的企业参与进来时,它们之间就形成了结构复杂的担保网络.这对国家金融安全来说是一把双刃剑.一方面,担保贷款有助于企业迅速筹集基金,加速发展;另一方面,在错综复杂的担保网络中,个体的信贷风险更容易导致系统性、行业性的违约发生.当前针对中小企业信贷风险的研究仍然停留在个体风险评估方面,缺少从总体担保网络的视角进行综合评价.因此,本文提出了大数据场景下的担保信贷风险评估方法,其中包括信贷风险传播和预测的概率图模型、处理不均衡样本的正加权k近邻方法、设计了其在海量数据情况下的分布式算法框架并且在Spark框架中进行了开发和实现.最后在真实的金融担保网络数据集上验证本文提出的方法的有效性,结果表明本文提出的方法在信贷违约预测任务中明显优于其他对比方法,在传播阶数为4的时候最为明显.在大数据平台上的性能实验结果表明:本文设计的分布式算法框架获得了5倍以上的性能提升,同时保持了算法性能的准线性扩展性.

上海市青少年24小时活动与负性情绪的相关研究

目的探索上海市青少年24小时活动情况及其与负性情绪的相关性,以期为24小时活动干预促进青少年心理健康的医教结合实践提供理论参考。方法采用多阶段分层整群随机抽样方法,于2017年11月—2018年1月抽取上海市6个行政区(县)6~12年级学生作为研究对象。通过学生自填标准化问卷评估睡眠时长、屏幕暴露时间和中高强度身体活动三项24小时活动达标情况,以及抑郁、焦虑和压力三种负性情绪。采用Logistic回归分析探索24小时活动达标情况与负性情绪的相关性。结果共入选2312名青少年,平均年龄为(14.84±2.09)岁,其中女生1113名(48.1%),初中生1267名(54.8%)。初中生和高中生24小时活动全部达标率分别为13.4%和3.5%,而负性情绪发生率分别为11.4%~35.8%和19.5%~51.6%。24小时活动达标项目数量与负性情绪存在剂量-效应关系,达标项目数越多,负性情绪发生风险越低。与无一项达标者相比,初中生24小时活动全部达标者负性情绪发生风险下降78%~79%(焦虑OR=0.21,95%CI:0.11~0.39;抑郁OR=0.22,95%CI:0.09~0.51),而高中生下降49%~50%(压力OR=0.50,95%CI:0.29~0.86;抑郁OR=0.51,95%CI:0.30~0.87)。结论上海市青少年24小时活动达标情况不容乐观,而达标项目数越多的学生,负性情绪发生风险越低,提示加强24小时活动干预对提高青少年心理健康的重要性。

三维虚拟空间中转头选中远离和靠近运动目标的操作特性差异

通过转头选中运动目标是虚拟现实(VR)中的常见操作,然而运动目标包含远离和靠近运动,确定两类操作的时间特性差异对设计高效的用户接口有重要的意义。本研究选取17名被试在VR中通过转头将球体光标快速准确地放入水平运动的球体目标内,并改变初始距离、目标容差和目标速度。总时间结果显示,远离运动的操作难度更大,初始距离和目标容差对远离和靠近运动的影响相似,目标速度对两类运动的影响相反。进一步将光标的移动过程划分为加速、减速和调整阶段,结果发现,远离运动的加速和减速时间大于靠近运动,但是两类运动的调整时间接近,并且只有目标容差对两类运动的影响一致。最后构建了总时间与三因素的函数模型,成功解释了两类运动的操作时间特性。本研究证明了远离与靠近运动具有不同的操作时间特性,为两类运动的独立交互设计提供了重要参考。

显式知识推理和深度强化学习结合的动态决策

近年来,深度强化学习在序列决策领域被广泛应用并且效果良好,尤其在具有高维输入、大规模状态空间的应用场景中优势明显.然而,深度强化学习相关方法也存在一些局限,如缺乏可解释性、初期训练低效与冷启动等问题.针对这些问题,提出了一种基于显式知识推理和深度强化学习的动态决策框架,将显式的知识推理与深度强化学习结合.该框架通过显式知识表示将人类先验知识嵌入智能体训练中,让智能体在强化学习中获得知识推理结果的干预,以提高智能体的训练效率,并增加模型的可解释性.将显式知识分为两种,即启发式加速知识与规避式安全知识.前者在训练初期干预智能体决策,加快训练速度;而后者将避免智能体作出灾难性决策,使其训练过程更为稳定.实验表明,该决策框架在不同强化学习算法上、不同应用场景中明显提高了模型训练效率,并增加了模型的可解释性.

孤独症谱系障碍儿童睡眠障碍临床实践相关指南解读

睡眠障碍,尤其是失眠和睡眠行为紊乱在孤独症谱系障碍(ASD)儿童中极为常见,对ASD儿童及其家庭造成多方面损害。国际上多个专业组织强调将睡眠障碍纳入ASD儿童的综合诊疗之中,并发布了相关临床指南或专家共识,如美国孤独症治疗联盟(ATN)共识、英国国家卫生与临床优化研究所(NICE)指南、美国神经病学学会(AAN)指南等。然而,目前仍缺乏适用于我国ASD儿童睡眠障碍的临床指南或专家共识,极大限制了相关临床工作的开展。本文重点对上述3个临床指南或专家共识涉及的证据等级和推荐强度、睡眠障碍界定和相关因素评估,以及睡眠障碍行为治疗和褪黑素治疗等进行解读,以期为我国ASD儿童睡眠障碍的诊治,以及临床指南或专家共识的制订提供参考。

QingLong:一种基于常变量异步拷贝的神经网络编程模型

近年来,人工神经网络的研究取得了巨大成就,在图像识别、自然语言处理等领域均有突破性的成果,同时产生了众多商业应用,方便了我们的生活,比如语音助手、辅助驾驶等.由于神经网络算法属于计算密集型和访存密集型的负载,传统CPU处理器已不能满足其大规模商业化应用的需求,因此学术界和产业界试图在GPU、FPGA和ASIC上寻求突破.其中,神经网络加速器作为一种ASIC,它提供了高性能、低功耗的硬件解决方案,相关研究也越来越多.神经网络加速器作为一种协处理器,在其计算前后需要将数据在主机与设备之间进行搬运.特别是对吞吐量要求较高的神经网络前向推理任务,需要将网络模型参数、硬件指令等常量数据和输入、输出等变量数据,分别从主机内存拷入设备内存.如果常量数据在每一份输入数据计算前都拷贝一次,就存在常量数据重复拷贝的问题,浪费了时间与存储资源.如何在神经网络开发工具软件中实现拷贝多次变量数据但只拷贝一次常量数据,如何保证指令在每次计算中都正确寻址常量和变量,如何简化用户编程,提供用户友好的接口,就成为一系列值得研究的问题.在本文中,我们提出了一种基于常变量异步拷贝的神经网络开发工具软件及其编程模型QingLong来解决上述问题.QingLong编程模型包含三个阶段:定义网络、编译网络和计算.在定义网络阶段,用户可以为神经网络的数据节点绑定常量数据;在编译网络阶段,通过REOFF数据包装法将常量数据封装为数据包;在计算网络阶段,用户拷贝一次数据包后即可多次拷入输入数据并计算输出结果.该编程模型具有编译、计算分离,常变量异步拷贝,计算和数据拷贝可切分为三级流水线等优势.实验表明,在连续计算100份输入样本时,QingLong比DLPlib有平均17.48倍的性能提升,且输入样本越多,性能提升的倍数越大.

丘脑-皮质输入对吊灯细胞和篮细胞的不同招募动态

在皮质环路中存在的多种类型的GABA能中间神经元在抑制性控制中发挥着重要作用。其中吊灯细胞(轴突-轴突细胞)具有独特的形态特征,特异地支配锥体神经元的轴突起始段,被认为能抑制锥体神经元动作电位的产生及传导,从而对其输出起到终末抑制作用。同为快速放电的抑制性篮细胞在放电模式、分子组成和神经元抑制方面具有类似特征。然而和篮细胞不同的是,吊灯细胞的突触招募模式还鲜为人知。我们采用小鼠遗传学、光遗传学和离体膜片钳电生理等方法,研究了丘脑-皮质输入对内侧前额叶皮质中吊灯细胞和篮细胞的短时可塑性的作用。结果显示:丘脑-皮质输入使吊灯细胞产生起始小但短时程易化的突触反应,从而驱动吊灯细胞持续放电;与此相反,丘脑-皮质输入诱导篮细胞产生起始强但短时程抑制的突触反应,篮细胞只在输入起始时放电。总的来说,不同的突触招募动态模式进一步显示了吊灯细胞和篮细胞之间的差异,提示这两类快速放电中间神经元在皮质环路调控和生理功能中可能发挥不同的作用。

SMAD2和SMAD3在人胚胎干细胞分化过程中的不同调控作用

目的·探究转化生长因子β(transforming growth factorβ,TGFβ)家族下游的关键转录因子SMAD蛋白(drosophila mothers against decapentaplegic protein)——SMAD2和SMAD3在人胚胎干细胞(human embryonic stem cell,hESC)体外分化过程中的不同作用。方法·在hESC中,通过蛋白质印迹法(Western blotting)检测SMAD2和SMAD3在分化过程中的蛋白表达水平。通过CRISPR/Cas9(clustered regularly interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9)技术构建SMAD2敲除(SMAD2 knockout,SMAD2KO)和SMAD3敲除(SMAD3 knockout,SMAD3KO)的细胞系。利用免疫荧光染色检测SMAD蛋白丢失对多能性因子八聚体结合转录因子4(octamer-binding transcription factor 4,OCT4)和性别决定区Y框蛋白2(sex determining region Y-box 2,SOX2),神经外胚层(neuroectoderm,NE)标志因子配对盒因子6(paired box 6,PAX6)和性别决定区Y框蛋白1(sex determining region Y-box 1,SOX1)以及中内胚层(mesendoderm,ME)标志因子SOX17的表达影响;同时使用流式细胞术鉴定SMAD2敲除或SMAD3敲除对NE标志因子PAX6以及ME标志因子SOX17、脱中胚蛋白(eomesodermin,EOMES)和C-X-C模体趋化因子受体4(C-X-C motif chemokine receptor 4,CXCR4)表达的影响。在SMAD2KO和SMAD3KO细胞中分别过表达SMAD2和SMAD3质粒,通过Western blotting检测SMAD2和SMAD3蛋白回补的效果,并利用实时定量PCR(real-time quantitative reverse transcription PCR,qRT-PCR)检测SMAD蛋白回补后对分化过程中的ME关键因子EOMES、叉头框转录因子A2(forkhead box A2,FOXA2)和GSC同源盒(goosecoid homeobox,GSC)表达的影响。结果·虽然SMAD2和SMAD3的蛋白序列较为相似,但是SMAD2才是hESC中主要表达的蛋白因子。免疫荧光染色结果表明,SMAD2敲除和SMAD3敲除并不会影响hESC多能性因子OCT4和SOX2的表达;同时流式细胞术发现,SMAD蛋白的缺失也不会影响NE标志因子PAX6和SOX1的表达。SMAD3敲除对hESC向ME分化没有显著的影响,而SMAD2敲除严重阻碍了hESC表达ME标志因子SOX17、EOMES和CXCR4。通过qRT-PCR检测显示在SMAD2KO细胞中过表达外源性SMAD2可以有效地恢复ME基因EOMES、FOXA2和GSC的表达,而在SMAD3KO细胞中回补SMAD3对这些ME基因的表达无影响。结论·SMAD2和SMAD3在hESC向ME分化过程中的调控作用不同。SMAD2而非SMAD3是决定hESC表达ME基因的关键。

非人灵长类动物模型在生物节律研究中的应用

生物钟是机体统筹并协调行为、生理,及生化等过程,确保机体符合每天24小时日夜循环规律的计时机制。外界环境与机体内部生物钟的不同步与失调经常会对健康造成有害的后果。许多动物模型的验证指出生物钟打乱会导致肿瘤、代谢疾病,以及神经退行性疾病的发生。生物钟紊乱与衰老慢病的显著关联提示了生物节律相关干预对多种疾病极具应用潜力,而这些转化应用与发展在老龄化人口快速增长的同时显得更为迫切。由于小鼠与人在代谢速率与认知行为等方面存在极大差异,发展并研究昼行性的非人灵长类模型对节律紊乱相关慢病的干预与临床转化极为重要,同时有助于对时间生物学的进一步理解。

假基因ANXA2P1通过mTOR信号通路促进胶质瘤细胞生长

目的探讨ANXA2P1在神经胶质细胞瘤(GBM)组织中的表达及其在U87细胞中的生物学功能。方法通过TCGA数据库信息分析GBM组织中ANXA2P1的表达。利用细胞转染法上调或下调GBM组织或U87细胞中ANXA2P1的表达,通过CCK-8实验检测U87细胞的增殖能力,Western blotting实验检测U87细胞信号通路蛋白表达的变化。结果通过TCGA数据库分析发现,ANXA2P1在高级别的胶质瘤组织中表达水平明显高于低级别的胶质瘤组织(P<0.01)。在胶质瘤组织中ANXA2的表达水平与ANXA2P1的表达水平呈正相关(r=0.752,P<0.01)。过表达ANXA2P1的U87细胞增殖能力明显高于对照组,而Si-ANXA2P1 U87细胞的增殖能力明显低于对照组(P<0.05或P<0.01)。转染72 h后,过表达ANXA2P1细胞中p-S6K蛋白表达水平高于对照组(P<0.05),而Si-ANXA2P1细胞中p-S6K蛋白表达水平低于对照组(P<0.05)。结论ANXA2P1可能通过mTOR信号通路促进U87细胞的增殖。

CRISPR/Cas工具的开发和应用

CRISPR/Cas系统是细菌、古菌抵抗外源DNA或RNA入侵的免疫系统,细菌和古菌通过crRNA和Cas蛋白识别靶标DNA或RNA,并切割这些外源入侵核酸.目前,CRISPR/Cas系统已广泛应用于基因编辑领域,多种Cas蛋白的发现扩宽了CRISPR/Cas编辑基因的范围.如Cas9和Cas12可在基因组上靶向插入或删除DNA序列;Cas13和RCas9可靶向切割RNA.另外,多种Cas衍生工具的开发让CRISPR/Cas系统发挥更多的功能.如基因编辑方面,通过base editor可进行DNA单碱基编辑,通过prime editor可进行DNA单碱基编辑和小片段插入缺失;如基因表达调控方面,通过CRISPRa和CRISPRi可以激活或抑制基因RNA表达.同时,CRISPR/Cas系统还广泛应用于功能基因遗传筛选、基因检测、活体成像、细胞谱系示踪等多个领域.随着CRISPR/Cas基因编辑工具的不断开发,将不断促进科学研究进展,并有望通过CRISPR/Cas介导的基因治疗为患者带来福音.