“973”项目《PNAS》文章解析大脑研究

　　生物通综合：来自华东师范大学脑功能基因组学教育部重点实验室（Key Laboratory of Brain Functional Genomics），波士顿大学药理和生物医学工程系的研究人员在小鼠大脑中发现能编码“窝”（nest）的概念的脑细胞，这一发现对研究人类大脑的抽象概念及高级认知功能具有指导意义。这一研究成果公布于《美国科学院院报》（PNAS）上。

文章的通讯作者是华东师范大学的林龙年博士和波士顿大学的钱卓教授，在回国之前林龙年博士在钱卓教授的实验室里完成了博士后工作。这一研究课题是在国家“973”计划项目“利用模式动物研究高级认知机理”资助下完成的，也得到了教育部、上海市科委和国家自然科学基金的大力支持，同时也是华东师大脑功能基因组学研究所两年前在记忆编码研究领域取得突破后，在脑高级认知研究领域获得的又一项重要进展。

原文摘要：
Published online before print March 27, 2007, 10.1073/pnas.0701106104 
PNAS | April 3, 2007 | vol. 104 | no. 14 | 6066-6071 
Neural encoding of the concept of nest in the mouse brain [Abstract]

日常生活中的许多物品，虽然不一定见过，但依靠大脑的抽象概括能力，我们能作出正确判断，从而产生相应合适的行为。可见，抽象概念在指导人们的日常行为中具有重要作用。

抽象概念在大脑中如何形成？华东师大脑功能基因组学研究所林龙年与钱卓，研究了小鼠对“窝”概念的神经编码机制。他们运用先进的多通道在体记录技术，即用世界上最轻巧的精细微电极推进器，把96根比头发还细得多的微电极插入小鼠海马脑区。戴在小鼠头顶的“电极帽”传送神经元动态，研究人员可以成功记录到多达几百个神经元的活动情况。记录显示，在小鼠大脑有些特定脑细胞，对它自己睡觉的“窝”有特定反应。研究人员把这些脑细胞命名为“窝细胞”。

一系列实验显示出许多有趣现象。研究人员给小鼠呈现不同形状的新“窝”，比如圆形、方形或三角形，这些“窝细胞”都有很好的反应；用纸板、塑料、金属和棉花等不同材料制作的新“窝”，也能引起“窝细胞”的反应，虽然这些新“窝”小鼠以前从没见过。实验表明，小鼠大脑“窝细胞”对“窝”的反应，并不依赖于各种“窝”的具体形状、质地、味道等属性，而体现出一种编码“窝”概念的特点。

“窝细胞”到底是如何来编码“窝”概念的？研究人员为此又设计了一些实验。其中一个实验是给小鼠呈现一个在地面上凹下去的“窝”，另一个实验是把“窝”放在一块透明的玻璃板下，结果“窝细胞”对前者仍有反应，而对后者却没有反应。这说明小鼠对“窝”概念的编码，是通过对该物体的潜在功能的探索而形成的。也就是说，只要物体能提供一个舒适安全、大小合适的空间，小鼠大脑内的“窝细胞”就会被激活，小鼠就会把它当做可以睡觉的“窝”，而不在乎这个“窝”的一些其他物理属性。这一神经编码过程，反映了大脑对日常生活中各类物体形成抽象概念的神经机制。

附1：
林龙年博士简介

华东师大“脑功能基因组学研究所”副教授。华东师范大学生物学系博士毕业，在美国普林斯顿大学分子生物学系钱卓实验室完成博士后工作。2004年1月回国，主持教育部、上海市脑功能基因组学重点实验室神经编码网络技术平台建设，担任“大脑编码分析实验室”学科带头人。他的主要研究方向是：学习记忆的神经编码机制。主要运用在体记录技术，从神经元网络活动水平研究大脑学习记忆过程中的群体神经元编码规律。

钱卓简介

钱卓，美国波士顿大学华裔教授，现任华东师范大学脑功能基因组学重点实验室主任，教育部长江讲座教授。他于1999年首创单个基因植入技术，通过把复制的老鼠NR2B基因植入老鼠胚胎，提高其学习与记忆能力，成功培育出首批“聪明鼠”，由此证明了NR2B基因是控制大脑学习和记忆的“开关”。这一成果被评为当年世界十大科技成就。文章发表于《自然》杂志发表重要论文《Genetic Enhancement of Learning and Memory in Mice 》

附2：
华东师范大学携手波士顿大学首次破译大脑记忆密码 

　　“大脑记忆密码”终于被解开，今天上午，在此项研究的所在地——华东师范大学脑功能基因组学重点实验室，研究的主持者之一林龙年博士为记者详细介绍了破译“密码”的全过程。


首次破译大脑记忆密码

　　观察脑活动有了直观“平台”

　　林龙年博士说，人类大脑是一个由约140亿个神经元组成的繁复的神经网络。但过去我们只能间接地通过对人的行为的测试来观测脑记忆的形成，即使像我们大家熟知的脑电图、核磁共振等检测仪器，也只能观察到大脑活动的一个“笼统”情况。如今他们的这项发现，就如同为人们观察大脑活动搭建了一个直观的“平台”，即通过检测大脑编码单元的活动状态直接解读大脑在学习过程中记忆的形成。

　　96根微电极插入小鼠“海马”

　　林龙年问记者，你知道“海马”吗？这是一个与记忆密切相关的大脑结构，因其形似海马而得名；它负责将人们新的经历转化为长期的记忆。海马受损的病人会日复一日津津有味地阅读同一张报纸，还总觉得自己是在看新闻(这一研究的另一位主持者钱卓，于1999年率研究小组，正是通过调节小鼠的海马和前脑中的NR2B基因，在普林斯顿大学制造了著名的“聪明鼠”，揭示了学习与记忆过程中的重要分子机制)。那么，记忆在神经网络的层次上又是如何编码的呢？换句话说，记忆在大脑中的物理形式是怎样的呢？为了获得这个对揭示大脑工作原理至关重要的答案，林龙年与钱卓一起，花了整整两年，运用最新的高密度多通道在体记录技术，以小鼠为对象进行了一系列的研究。

　　小鼠海马脑区只有半粒米大小，为了尽可能多地观测到单个神经元的活动情况，研究小组研制了世界上最轻巧的精细微电极推进器，把96根比头发还细得多的微电极插入小鼠的海马区域，成功地记录到了多达几百个神经元的活动情况——传统的方法在小鼠上只能记录到几个至二十几个神经元。“这一步非常重要，”林龙年博士介绍说，“假如只能观察到几个神经元，就谈不上对神经元群体的编码进行分析了。”

　　记忆如何“刻骨铭心”

　　接下来，研究人员设计了几种新颖的行为模式来研究小鼠的神经编码，一种是在特定环境中给小鼠背部突然吹上一阵冷风，就像武侠小说中描写的在月黑风高之夜，一阵突如其来的嗖嗖阴风会使人顿感毛骨悚然一样，小鼠对这样的刺激会感到惊恐。另一种有趣的模式是，把小鼠放在特制的小电梯中做自由落体下降，如同人们在乘坐的电梯突然失控坠落的过程中所获得的记忆会刻骨铭心一样，小鼠对这种极其刺激的经验也会印象深刻。“由于这些经历能够产生令人难忘的记忆，我们猜想大脑中会有许多神经元参与这些记忆的编码，因此我们希望通过巧妙的实验设计与新记录技术的结合，来探索和破译大脑编码的奥秘。”

　　其后的实验观察发现，小鼠的海马区对这种惊吓刺激果然有着各种各样的放电反应，根据它们的反应特征，研究人员发现这些神经元组成了记忆编码的神经网络单元。更有意义的是，这些编码单元通过它们的激活状态可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字，这种数字化的编码形式使得科学家们能够对不同的个体乃至不同种群动物的大脑编码活动进行直接的比较和分析。在观察到了这一有趣的编码方式后，钱卓教授曾感慨地说：“大脑记忆系统这种精美的操作设计真令人叹服！”