——脑与认知科学国家重点实验室

　　
　　
　　脑与认识科学关乎人类社会的发展进步，揭示人脑的运行机制，探索人类认知发展的奥秘，早已成为全世界科学家们广泛关注的前沿领域。2005年，经科技部批准，脑与认知科学国家重点实验室开始建设，于2007年通过验收并正式开放运行。其在之后的两次国家重点实验室评估中均获“优”。
　　多年来，脑与认知科学国家重点实验室围绕“认知的基本单元”“学习和抉择”的认知科学重大科学问题，开展了多进化层次、多认知层次、多学科层次的研究，取得系统的、原创性的成果。实验室还开展了认知的分子神经机制及认知障碍的卓有成效的研究。实验室特别注重发挥认知科学对脑疾病研究不可替代的作用，在认知变量、认知实验范式、脑认知成像等方面，开展了多种精神和神经疾病的科学定义和行为模型、客观行为检测和诊断方法的创新研究。近5年来，实验室主持了原“973”项目、基金委创新群体项目、中国科学院先导项目等多项重大项目，发表SCI论文400余篇。
　　实验室现有面积9000多平方米，已初步建成并完善了以脑功能成像方法为桥梁，把分子遗传、细胞生理、脑功能成像和心理行为4个层次的研究方法结合起来的实验环境。目前，实验室拥有脑成像研究平台、果蝇行为与细胞分子生物学实验平台、分子神经研究平台3大实验平台。
　　
自主搭建科研设备
　　脑磁图（MEG）设备可通过探测大脑神经活动产生的颅外微弱的磁信号，来反映神经活动发生的位置和时间过程。与其他脑成像技术相比，脑磁图设备能观测到功能磁共振成像（fMRI）无法获得的脑功能实时动态信息，空间定位精度显著高于脑电（EEG），且安全、无创，是脑科学研究中的先进技术手段。脑磁图在临床医学上也有重要应用，例如在癫痫病灶的定位、术前语言功能区定位等领域具有特殊重要的作用。
　　传统脑磁图设备基于超导量子干涉仪（SQUID），需在超低温下运行，购置和运行成本高昂，且探头位置固定并距头皮较远，适应性差，大大妨碍了该技术的普及。基于原子磁力计的脑磁图系统是近年来新出现的技术，可在常温下工作，探头可紧贴头皮，具备低建设/运行成本、高灵敏度和高适应性（可做成可穿戴式系统）的优势，有望提高脑磁图普及率并拓展到更多的研究和临床领域。
　　2018年9月，生物物理所脑与认知科学国家重点实验室完成了我国首台基于原子磁力计的新型多通道脑磁图系统原型机，并成功获得高质量脑磁信号。与传统SQUID脑磁图系统相比，该原型机信噪比局部提高一倍以上，在某些应用上，通过调整探测器布置，可使用比传统SQUID脑磁图少得多的探头就能达到相同或更高的定位精度。该原型机可有效探测海马、小脑等传统脑磁无法有效探测的脑深部区域，还可有效应用于传统脑磁图难以应用的低龄儿童、帕金森患者等群体，在发育心理学和脑疾病诊断等领域有着潜在的应用前景。
　　同月，实验室又在3T磁共振成像系统上搭建清醒猴功能磁共振成像技术平台，并获得首批高信噪比清醒猴功能磁共振图像，实现了我国在该领域的技术突破。
　　功能磁共振成像是近代脑科学发展史上极为重要的一项技术，它实现了特定状态与任务下全脑活动情况的非侵入式、快速获取，被广泛运用于包括正常被试和病患在内的人类被试的脑科学和脑疾病研究，取得了大量有重要意义的研究发现。非人灵长类动物（特别是各方面最宜进行实验的猴类）凭借与人类在遗传、生理、神经解剖和行为上的相似性，自从20世纪中期开始，就已经被广泛用于脑科学的研究。清醒猴功能磁共振成像为脑科学研究提供了一个绝佳窗口，近年来在国际脑科学研究中受到了广泛的重视，其独特的技术优势已在脑科学研究的多个领域中展现。
　　但是，由于使用磁共振兼容材料固定动物头部、使用人体磁共振成像设备扫描动物需要特制线圈和扫描序列等各方面的困难，实现清醒猴功能磁共振成像是一项很大的技术挑战，目前在全球范围内，能够成功并有效地使用该技术进行研究的机构屈指可数。在我国，虽然麻醉猴的成像工作已经开展，但是在清醒猴上进行脑功能磁共振成像需突破一系列技术难关。
　　实验室自主搭建的清醒猴功能磁共振成像技术平台将为我国学者基于清醒猴的脑科学与脑疾病研究提供一个新型有效的实验手段，有助于建立和加强我国灵长类动物研究方面的优势，为脑科学基础研究和转化医学研究产生突破性成果创造条件。
　　
创新成果进展
　　2019年2月，脑与认知科学国家重点实验室研究人员发现了精确控制抑制性GABA能神经元的神经环路机制，并揭示了该调控作用对于记忆形成中突触修饰的关键作用。
　　大脑如何实现有效的学习记忆是神经科学领域最为重要的问题之一，而特定神经环路的突触修饰是记忆形成的重要机制。去抑制神经环路在哺乳动物大脑功能中也发挥着重要作用。这一研究结果不仅加深了对去抑制神经机制的认识，也说明学习记忆在不同物种之间是保守型的。
　　2019年3月，实验室在神经科学杂志The Journal of Neuroscience发表了题为“Cenpj regulates cilia disassembly and neurogenesis in the developing mouse cortex”的研究成果，该工作阐明了在小鼠大脑皮层发育过程中中心体蛋白Cenpj对体内纤毛解聚和神经发生的调控作用。
　　头小畸形是一类神经系统发育型疾病，头小畸形患者的头部尺寸仅为正常同龄人的三分之一，伴有智力发育障碍、情绪失控等症状，严重影响患者的正常生活。导致头小畸形的突变大都是编码中心体蛋白的基因，该论文关注一种导致头小畸形的中心体基因Cenpj，它不仅可以调控中心粒的生长，也可以控制细胞骨架结构。
　　为了探讨人类Cenpj突变引起脑发育缺陷的病理机制，研究人员首先利用Cre-Loxp的技术在小鼠的大脑皮层中特异性敲除Cenpj基因后得到Cenpj条件敲除小鼠（CenpjCKO）。这些小鼠稳定地出现了类似于头小畸形病人的病理特征，包括头小，皮层变薄，神经元数量减少的表型。他们研究发现胚胎期的Cenpj条件敲除小鼠（CenpjCKO）的神经干细胞数量显著减少，增殖分裂能力明显降低，并伴随有大量的细胞凋亡现象。他们还发现由于Cenpj基因的缺失，纤毛，这种真核细胞表面的细胞器也会发生结构的改变。神经干细胞的纤毛由于Cenpj基因的缺失而变长，纤毛附属物结构也变得异常。
　　此外，在成体期，Cenpj缺失会导致成体神经干细胞中的初级纤毛和运动纤毛变得细长，脑室下区（SVZ）的细胞增殖减少以及嗅球新生神经元数量降低。通过转录组学的研究和分析，研究人员发现Cenpj通过一种末端导向的运动蛋白Kif2a调节纤毛的分解和神经发生，纤毛不能在细胞周期发生前分解可能是神经前体细胞周期延迟和神经发生障碍的原因。这项研究为深入了解纤毛在人类皮层发育和Cenpj突变引起的原发性头小头畸形中的作用提供了依据。
　　2019年5月17日，实验室研究人员又在PLOS Genetics期刊在线发表了题目为“TDP-43 induces mitochondrial damage and activates the mitochondrial unfolded protein response”的研究论文，报道了RNA结合蛋白TDP-43进入线粒体导致线粒体损伤并激活线粒体去折叠蛋白反应（UPRmt）。这一研究为核定位的RNA结合蛋白靶向线粒体提供了重要证据，为未来开发治疗衰老相关神经退行性疾病的诊断工具和治疗方法提供重要研究思路。
　　目前，脑与认知科学国家重点实验室与MIT、UCLA、UPenn、University of Nottingham，Queensland University等建立了多个脑与认知科学领域的联合实验室。通过不断探索与合作交流，实验室将会取得更多影响世界的中国创新成果。科