2017年諾獎預測：腦成像重磅級研究解讀

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10月諾貝爾獎月馬上到來，隨著頒獎時間越來越近，很多科學家們都開始預測2017年的諾獎獲得者；從2002年開始，湯森路透社每年都會進行諾貝爾獎的預測，近期湯森路透公布了2017年的預測名單，其中共有四位科學家入選生理學或醫學領域，包括來自美國匹茲堡大學醫學院的特聘教授張遠（發現了人類皰疹病毒）、威爾康乃爾醫學院癌症生物醫學教授Lewis C. Cantley（發現了磷酸肌醇-3-激酶（PI3K）信號通路，同時闡明了其在腫瘤發展過程中所扮演的關鍵角色）、英國倫敦大學學院教授Karl J. Friston（在腦成像數據分析方面做出了重要貢獻）。

本文中，谷君整理了近年來腦成像相關的重磅級研究，分享給大家！

【1】人腦成像技術揭開神秘大腦，有助於治療精神疾病

科學家相信，HDAC的含量高低與基因的變化程度有關。HDAC含量最高的腦區，也是基因最不易發生變化的腦區。因此HDAC含量過高會阻礙人類的學習能力，即使在正常的人腦中也是如此。新的人腦成像技術將揭示基因如何激活活躍的人類大腦。

科學家首次用大腦掃描技術揭示了基因在大腦活動中的變化，這項發現將有助於阿爾茨海默綜合征、精神分裂症以及其他大腦紊亂所導致的疾病的治療。這還不是全部，進一步的研究還將幫助科研人員評估藥物對這些疾病的療效。

「遺傳還是環境」

來自哈佛醫學院的研究人員正專註於研究一種分子，這種分子能夠控制纏繞在決定基因構成的蛋白質周圍的DNA的緊密程度。想像一下DNA就像是線圈，這些蛋白質就好像一根軸線。線圈纏繞軸線的緊密程度將影響DNA的基因表達。這些被稱作組蛋白脫乙醯基酶（histonedeacetylases，簡稱HDAC）的分子是決定DNA纏繞蛋白緊密程度的分子，比如在阿爾茨海默綜合征患者的大腦中管控人類記憶部分的HDAC酶含量很高。

【2】Journal of Neuroscience：中科院生物物理所腦成像團隊關於注意行為中基於振蕩的時間組織取得突破

doi：10.1523/JNEUROSCI.4856-13.2014

《Journal of Neuroscience》雜誌在線發表了中國科學院生物物理研究所腦與認知國家重點實驗室腦成像團隊羅歡研究員和周可研究員的最新合作研究成果："Behavioral Oscillations in Attention： Rhythmic Alpha-pulses Mediated through Theta-Band". 這是腦成像團隊在時間組織領域的重要成果。

傳統認為，即使腦神經活動在時間上是快速變化的，認知行為（各種認知任務指標，包括正確率、反映時等）反映的仍然一般都是一個較為緩慢的過程。本研究採用高時間解析度方式來研究注意行為的動態時間組織過程，發現：（1）經典的空間注意行為表現在這個動態過程的低頻段上；（2）空間注意行為包含大量動態振蕩成分（包括10Hz alpha 頻段等）；（3）空間注意行為的很多動態特性都和以往電生理記錄中的動態振蕩特徵一致（例如低頻段和高頻段的耦合等）。

【3】Neuron：逆天研究！大腦成像可預測人類將來的行為

doi：10.1016/j.neuron.2014.10.047

非侵入性的大腦掃描，比如功能性磁共振成像，可以對人類大腦進行最基礎的研究探索，但其對人類的日常生活卻影響較小；近日，一篇發表於國際雜誌Neuron上的研究論文中，來自麻省理工學院的研究人員通過研究表明，大腦成像或可預測個體將來的學習、犯罪及健康相關的行為，並且可以預測出個體對藥物或行為療法的反應情況，相關研究或為進行個體化教育及臨床實踐提供幫助。

文章中研究者描述了大腦成像技術對個體將來一系列不同行為預測的潛力，包括嬰兒潛在的閱讀表現力，學生潛在的數學能力，罪犯重複犯罪的可能性，未成年人將來的藥物及酒精濫用的可能性以及成癮者疾病複發的可能性。

研究者John Gabrieli表示，目前我們在學校里，亦或者是在心理健康上會經常遭受失敗，如果我們可以利用神經影像技術來鑒別出個體未來在哪些事情上失敗風險較高，那麼我們完全就可以避免一些失敗的事情，比如心理疾病，犯罪等。

【4】Science：利用磁共振成像技術成功預測個體大腦活性的差異

doi：10.1126/science.aad8127

最近，刊登在Science雜誌上的一項研究論文中，來自牛津大學的研究人員通過研究表示，目前我們或許有可能利用遊離狀態的fMRI成像技術（功能磁共振成像圖像）來預測機體在行使特殊任務過程中大腦的活性。研究者在文章中描述了他們的大腦掃描分析結果，同時他們也構建出了特殊模型來供後期研究使用。

截至目前為止，很多研究都希望更好地理解個體在一動不動思考事情過程中的大腦活性和其個體在具體活動過程中的大腦活性之間的關係；這項最新研究中，研究者重點對個體進行研究，他們想知道是否來自無任務狀態下進行思考的個體的fMRI成像結果可以被用來預測相同人群的特殊大腦模式。

文章中研究者分析了來自98名參與者大腦的fMRI圖像結果及儲存在人腦連接組計劃（HCP）資料庫中的可用數據，這些研究者在研究初期被告知一動不動，此時利用fMRI採集參與者圖像，隨著他們開始思索不同的活動，並且開始從事相關的活動，此時再對這些個體大腦的活性圖譜進行採集；這些研究數據就可以使得研究者構建一種模型，用來預測在特定活動期間個體的大腦行為變化。

【5】大腦成像新技術：解析度水平達毛細血管級

研究癌症和其它侵入性疾病的科學家的工作依賴於高解析度的成像技術，科學家們使用這些技術來檢測腫瘤和身體深部組織的活動。美國聖路易斯華盛頓大學的汪立宏（Lihong Wang）博士和他的研究小組發明了一種新的高速、高解析度的成像方法。使用這種方法，能夠對活體小鼠大腦的血流、血氧、氧代謝和其它功能進行檢測，速度比此前的方法都要快。

這些是快速功能光聲顯微鏡拍攝到的小鼠大腦的圖像。左圖是投射到x-y軸二維平面上的完整顱骨內的脈管系統。中圖是投射到x-z軸二維平面上的典型的大腦脈管系統增強成像圖像。右圖是小鼠大腦血紅蛋白氧飽和的光聲顯微鏡拍攝的圖像，是通過兩束激光，利用基於單波長和脈衝寬度的新方法拍攝到的。

汪立宏是聖路易斯華盛頓大學工程與應用科學學院的Gene K. Beare生物醫學工程教授。使用光聲顯微鏡技術（PAM），以及他實驗室此前研發的一種基於單波長和脈衝寬度的技術，汪立宏的團隊得以對血氧水平進行更加快速的測量，測量速度比此前他們使用的快速掃描光聲顯微鏡技術（fast-scanning PAM）快50倍，比聲音解析度系統（acoustic-resolution system）快100倍，比基於磷光壽命的雙光子顯微鏡技術（phosphorescence-lifetime-based two-photon microscopy，TPM）快超過500倍。

【6】Nature：首次繪製出大腦蕈狀體中的完整神經連接圖

doi：10.1038/nature23455

在過去幾年，通過與美國霍華德-休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區密切合作，來自美國哥倫比亞的L. F. Abbott、德國康斯坦茨大學的Andreas Thum和英國劍橋大學的Marta Zlatic、Albert Cardona利用高解析度三維電子顯微鏡技術重建神經細胞和它們通過突觸形成的連接組（connectome）。探究這種神經迴路將有助在未來研究大腦如何學習新事物和隨後將它們作為記憶進行存儲。相關研究結果於2017年8月10日在線發表在Nature期刊上，論文標題為「The complete connectome of a learning and memory centre in an insect brain」。

論文第一作者、康斯坦茨大學的Katharina Eichler在經過顯微拍照的果蠅幼蟲大腦中，手工記錄了它們的大腦蕈狀體（mushroom body）中的大約400個神經細胞，並且重建了大約1萬個突觸中的每一個。這項研究代表著這些研究人員為構建果蠅幼蟲整個大腦的完整接線圖作出的重大貢獻。為此，這些來自全世界20多個實驗室的研究人員正在合作重建果蠅大腦中的所有10000個神經細胞。通過為果蠅幼蟲的大腦蕈狀體構建模型，他們重建了這種多功能的大腦結構的將近8000個細胞。在未來兩到三年內，果蠅大腦中的所有連接將會被繪製出。

【7】新型成像技術或可對大腦化學信號實現實時監測

新聞閱讀：Brain s chemical signals seen in real time

近日，來自國外的神經科學家開發了一種新方法，可以實時觀察大腦中化學信使的水平起伏狀況，同時研究者們還能夠觀察到當小鼠對聲音產生反應流口水時大腦中神經遞質水平的激增，就像巴浦洛夫的狗一樣，一聽到鈴響，就會分泌唾液。

這項研究發表在8月22日在費城舉辦的美國化學協會年會上，研究人員利用這種新技術就可以幫助闡明神經遞質的複雜語言，最終或將幫助科學家們更好地理解大腦的迴路。大腦的電湧現象很容易去追蹤，但檢測驅動這一活性產生的化學信號卻非常困難，即在大腦細胞和促使大腦細胞激活之間循環的神經遞質，來自MIT的研究者Michael Strano指出，這是大腦中所隱藏的信號網路，我們需要利用工具去揭開它神秘的面紗。

在大腦的很多結構中，神經遞質都可以在不能檢測到的極低水平下存在，通常情況下，研究者通過抽取神經元之間流動的液體並且在實驗室中分析其內容，來監測大腦神經遞質的水平，但這種技術並不能實時測定神經遞質的活性。另外一種選擇就是將金屬探針插入到神經元之間的空間中來測定當神經遞質接觸金屬探針時神經遞質所產生的化學反應，但這種探針不能有效區分在結構上相似的分子，比如多巴胺等，多巴胺主要參與機體的愉悅感和獎懲機制，而去甲腎上腺素則參與機體警覺度的表現。

【8】腦部掃描幫助預測昏迷病人恢復能力

近日，來自法國的科學家在國際學術期刊Neurology上發表了一篇文章，他們發現對處於昏迷狀態的病人進行腦部掃描或可幫助預測病人是否可以恢復意識，研究人員也對調節意識形成的各個腦部區域之間的聯繫進行了研究。

這項研究共包含27名因嚴重腦損傷而處於昏迷狀態的病人，研究人員利用功能性磁共振成像技術對這些病人與14名同年齡的健康參與者進行腦部掃描，處於昏迷狀態的病人在鎮靜劑藥物排出體外之後進行了檢查。在這27名病人中有4人在腦損傷發生三個月後恢復意識，其餘病人仍保持了最低限度的意識狀態或植物狀態。

在進行掃描之後研究人員觀察到所有處於昏迷狀態的病人其腦部區域與後扣帶回皮質之間的聯繫都存在明顯的中斷，無論是因為頭部損傷還是因為缺氧導致的昏迷，都存在相同的變化。

【9】PNAS：腦部成像告訴你兒童如何遺傳父母的焦慮

近日，來自美國威斯康星麥迪遜大學的研究人員利用恆河猴進行研究發現，焦慮性格的父母很可能會產生焦慮性格的孩子。這項研究為了解焦慮和抑鬱如何從親代傳遞到子代提供了深入見解。

早先的一項研究發現焦慮性格是可以遺傳的，並且大腦中一些神經迴路也參與其中。參與研究的兒童大多表現出極端的焦慮情緒，並有一半左右的兒童在後來的生活中發生了應激性精神紊亂疾病。猴與人類似，也會表現出性格上的焦慮並可以將焦慮相關基因傳遞到下一代。

在這項研究中，研究人員對來自同一個大家族的近600隻年輕恆河猴進行了研究，結果發現有35％左右的焦慮傾向可通過家族史進行解釋。為探究大腦的哪些區域參與了焦慮性格的代代相傳，研究人員將年輕的猴置於輕微的應激環境下，利用高解析度的功能性和結構性腦成像技術對存在焦慮相關行為的恆河猴的大腦進行了觀察，腦部區域代謝出現增強就表明焦慮水平增加。

【10】Cereb. Cortex：新成像方法揭示人類大腦如何適應損傷

doi：10.1093/cercor/bhs423

據物理學家組織網近日報道，美國卡內基梅隆大學認知腦成像中心（CCBI）的科學家首次採用了一種新的組合神經成像方法，能夠確切發現人類大腦是如何適應損傷的。發表在《大腦皮質》雜誌上的相關研究報告顯示，當一個大腦區域的功能喪失時，備用的次要大腦區域就會立即活化起來，取代不能工作的大腦區域以及它的「同盟者」。

CCBI主任馬賽爾·賈斯特表示，人類大腦的一種特殊能力就是適應多種類型的損傷，如創傷性腦損傷和中風等，使得人們的大腦能在關鍵的腦區域受傷後，繼續維持工作。而這也提示了人類如何能通過訓練自己的大腦，使其變得更易於恢復。秘密就在於開發替代性的思維模式，令自己的大腦成為全能選手，以備不時之需。

研究人員藉助功能性磁共振成像（fMRI）技術，研究了16個健康成人的大腦將如何適應暫時性的韋尼克區失效，該區域是大腦涉及語言理解的關鍵區域。他們在fMRI掃描的中間區域應用了經顱磁刺激（TMS）方法，來短暫中斷受試者韋尼克區的正常工作。在進行磁共振成像掃描時，科學家會分別在TMS實施之前、之中和之後對受試者進行有關句子理解的測試。

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