脑科学：读懂大脑，热爱生命

铜谷贤治：用于心智模拟的神经环路

强化学习算法的开发。铜谷贤治教授团队通过研究神经系统的强化学习功能环路，开发更为高效的强化学习算法。运动学习功能的强化学习方法包含诸多重要的计算部分，例如从过去状态或动作中评估当前状态，通过奖励预测状态或动作、动作选择以及预测状态的更新。强化学习的对象可以是人、动物或机器人，或者是与环境交互的软件。团队致力于开发针对对象的高效算法，并探究大脑的工作机制。

强化学习构架对比。目前主要有两类强化学习构架，一种是基于模型的，一种是无模型的。无模型构架相对简单，但是学习速度慢，需要长时间的重复试验；基于模型的学习构架能够在当前状态下运行特定动作，对于感觉输入的噪声水平不敏感，并可以先于合适动作预估状态。因此，对象能够在深思熟虑的情况下执行动作，这使得模型具有灵活的适应性。但是，基于模型的构架需要更加复杂的内部运算。模型与非模型如何选择，在工程领域和神经科学领域都是十分有趣的研究课题。采用实现训练的基于模型的策略进行递进式模拟，在数据层面是更为有效的，对于感觉输入的噪声较强或输入延迟、缺失的情况有很大帮助。

大脑心智模拟功能机制的理解。在研究实现心智模拟的过程中，根据我们学习的构架，不同脑区倾向于具备不同分工。团队与其他研究者合作，研究皮层环路在心智生成过程中的作用机制。除此之外，团队还对强化学习参数控制进行了一系列研究，验证了大脑参与决策控制的作用机制。心智模拟是十分重要的功能，大脑功能根据当前状态或通过动作推测的模糊状态去预测未来状态。采用先进的脑成像方法和基因编辑方法，可以帮助研究者理解大脑心智模拟的功能机制，帮助我们理解人类意图产生的原因。

李毓龙：构建新型遗传编码探针

基因编码探针的开发。团队致力于开发基因编码探针，以绘制化学神经递质波谱，用以理解大脑脑区之间的信息交互机制。使用这些工具，团队研究突触间的通信方式，研究不同的调制对于疾病和健康状态下的不同模型系统的作用。团队研发了一种可遗传编码的探针，用于检测内源性大麻素，该传感器在体外（培养细胞）和体内均可工作，可用于内源性大麻素分析。

在在体实验方面，团队在实验中采用简化范式，比如在杏仁体中用腺相关病毒（AAV）引入大麻素传感器，证明了内源性大麻素的释放可以在体观测。与斯坦福大学团队合作研究了在癫痫小鼠模型的海马中通过电刺激诱发癫痫活动，并同步记录局部场电位信号、钙离子信号和大麻素信号，印证了大麻素传感器能够清晰监测癫痫发生时大麻素是如何变化的。

探针的优化与改进。需要设计可选择性的传感器，针对需要检测的大脑生理或病理生理状况中的反应提供合适方法。团队采用高结构分辨率策略，构建一套较大的神经递质传感器，使用这些新的传感器，目前团队已经实现在体、体外的神经递质动力学检测。在神经肽领域，使用催产素受体制造第一代催产素传感器，该传感器经过基因编码并快速工作。研究结果表明，相比于传统观点认为的神经肽释放速度可能非常缓慢，实验结果显示其释放速度很快。团队正在进一步研究树突释放的方式，以及如何抑制类似的传感器真正释放和分散在大脑中。多巴胺受体可能是体内最大的神经递质受体，能够检测病毒神经化学物质，2020年团队发布了新一代多巴胺传感器，可以在体内检测啮齿动物的多巴胺代谢。除此之外，团队还研发了多种其他神经递质在体传感器。

铜谷贤治

日本冲绳科学技术大学院大学神经计算系教授。担任《神经网络》杂志总编、日本神经网络协会委员、日本神经科学学会委员。2007年获得“冢原伸晃纪念奖”和日本学术振兴会奖，2012年获得科学技术领域文部科学大臣奖，2018年获得国际神经网络学会唐纳德·赫布奖、日本神经网络学会学术奖、亚太神经网络学会杰出成就奖等多个奖项。

李毓龙

北京大学生命科学学院、北大IDG麦戈文脑科学研究所、清华大学—北京大学生命科学联合中心研究员，2019年获得“科学探索奖”。研究集中在神经元通信的基本结构突触上，开发前沿的工具，借助先进的工具探究突触传递的调节机制。其团队在《细胞》《自然》《科学》等期刊发表多篇论文。

神谷之康

京都大学研究生院信息科学与技术系、神经信息学系教授，ATR脑信息交流研究实验室教授。其研究致力于利用AI和深度神经网络的思路来可视化大脑的内在图像。这些神经网络具有桥接大脑和心智的潜力。

神谷之康：从大脑中重构视觉和主观经验

大脑解码和图像重建方法的研究。最近，团队正在使用AI和深度神经网络的方法来可视化人脑内部活动图像。在提取特征时，会处理视觉输入、前馈和反馈交互，从而提供了一种利用层次结构提取视觉特征信息的方法。团队使用了一种基于大脑解码和图像重建的方法，对人的功能磁共振检测图像进行重建，进而合成一种在精神意向中唤起的同样的大脑活动图像。这表明至少在某些脑区，（客观的）刺激感知和（主观的）想象共享相同的视觉特征的表征。因此，可以通过测量客观的大脑活动来获得被试者的主观体验。这就是我们所说的神经读心术。

开发出能够解码人类大脑活动并将其转化为图像的人工智能模型。团队在黑白图像空间中重建了任意图像，将大脑多层活动解码或转换为深度神经网络（DNN）信号。该DNN模型仅使用约400个随机图像进行训练，但是它可以在图像空间中泛化多达数十亿个任意图像。DNN层与大脑区域之间的分层同源性按分层顺序排列，随着层次结构中层数的增加，DNN单元往往会响应更复杂、更全局的特征。团队第一次无须借助刺激输入图像解码内心想象影像，即在没有视觉输入的情况下重建想象影像。

对于睡眠中的大脑进行图像初步重建的工作，团队还在努力找出梦境和图像重建之间的关联。团队使用的DNN模型能够进行大量的计算操作，可以应用到精神障碍诊断、神经艺术表达等方面。该方法可以有效地结合层次性的神经表征来重建感知图像和主观图像，为了解脑内情况提供了一个新的途径。

本杰明·贝克尔：调节和确定人脑情绪神经环路

恐惧、痛苦等负面情绪的常规治疗方法。过度的情绪反应和情绪调节障碍是精神障碍的关键多元诊断特征，与许多精神疾病有关，特别是焦虑症和创伤后应激障碍。目前，这种痛苦和恐惧经常通过心理疗法或苯二氮卓类药物来治疗。但是这些药物都有很明显的副作用：头昏、眼花甚至成瘾。

恐惧等负面情绪的解码及调控能力改善的新方法。一方面，研究人员发现了催产素——一种神经肽，在调节啮齿动物的恐惧反应中起重要作用。他们将鼻喷催产素应用于健康受试者，然后在功能性核磁共振成像（fMRI）期间对其进行恐惧刺激。催产素可以降低情绪加工核心脑区杏仁核的威胁反应，减少受试者预期的恐惧或焦虑，并增强杏仁核与负责高级执行控制功能的前额叶之间的功能连接，这可能是治疗焦虑症的潜在靶点。另一方面，团队在健康受试者以及患者研究中进一步发现了恐惧环路。在最初预期威胁或遇到威胁期间，大脑区域如杏仁核或中脑导水管周围灰质变得非常活跃，并随后受到前额叶区域的下调。内侧前额叶皮层到杏仁核和PAG的环路都参与了恐惧调节。此外团队还发现，血管紧张素系统与恐惧的消退以及杏仁核和腹外侧前额叶的调节密切相关。他们进一步在创伤后应激障碍患者中进行fMRI反馈式神经训练时，聚焦在相同脑区。根据反馈训练，研究人员下调双侧杏仁核的活动，然后提供了神经解码方法来解码大脑中的恐惧，从而为这种主观体验提供生物学手段。随后，团队开发了一款神经解码器，该解码器可以基于大脑活动来读出受试者的瞬时恐惧程度，能够预测瞬时恐惧的主观体验。

负面情绪环路调节的临床意义。本杰明·贝克尔教授认为该研究具有重要的临床意义，团队正在尝试提出减少恐惧的新策略。希望能加快临床转化，尽快从健康受试者应用到对患者人群进行真正的临床研究，进一步与神经生物学特性相结合，快速验证新疗法的治疗潜力，以期将来可以用于治疗焦虑症、抑郁症和自闭症等焦虑性情绪问题。

本杰明·贝克尔（Benjamin Becker）

电子科技大学生命科学与技术学院特聘教授、神经疗法·社会认知与情感神经科学实验室负责人。研究方向为使用先进的神经成像技术来探索健康受试者大脑的情绪环路，以及精神障碍患者大脑环路的失调。

西本伸志

日本情报通信研究机构脑信息通信技术融合研究中心高级研究员。主要研究方向是对神经信息处理和表征的定量理解。

蒲慕明

中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任、上海脑科学与类脑研究中心主任。研究集中在利用非人类灵长类动物作为动物模型来研究高级认知功能和人类大脑紊乱。曾获美国Ameritec奖、中华人民共和国国际科学技术合作奖等。

西本伸志：人脑的感知和认知表征

探索对建立认知过程定量模型的可行性。人类日常生活是通过各种大脑功能的复杂协调来实现的，认知神经科学的基本目标之一是揭示这些功能的完整表征。最近已经出现使用编码和解码模型对感知的视听体验进行定量表征的研究，但很少有人尝试建立描述认知过程多个活动的皮层组织的定量模型。

团队通过功能磁共振成像测量全脑活动，使用运动能量信息的动态视觉特征对大脑活动进行建模，检查了大脑中时空信息的精确映射，并证明了可以使用逆向建模来解码来自大脑活动的视觉体验。为更全面地了解大脑在日常生活中的工作方式，团队通过使用大规模认知测试试验扩展了大脑模型。受试者执行103个认知任务，对许多日常生活认知进行采集，包括感知、记忆、语言、内省、逻辑、决策和行动。通过使用两种认知特征模型分析文本与大脑活动之间的关系，刻画大脑映射下的认知表征空间，查看其中的某些特征是否可以推广到解码大脑活动模型以进行更新颖的测试。

模型一即任务类型模型。该模型简单地通过二进制表示任务特征，即受试者在每个时间范围内执行的任务以所谓的单点矢量表示。通过线性回归建立体素脑活动模型，进一步计算任务诱发的大脑皮层的活动。该模型旨在刻画哪些大脑区域代表任务的哪些组合，从而获得易于解释的结果。

模型二即认知因素模型。模型一是一种易于处理和解释的模型，但问题在于二进制模型不能推广到新颖的任务。模型二旨在通过使用人们所谓的神经元数据库，将每个任务转移到嵌入认知特征的空间中。团队计算了从神经症和大脑活动到已知目标/受试者的数百种认知作用之间的简单相关性。该模型预测整个皮质区域活动的准确率超过85%，这是神经科学史上对人脑预测性最强的模型。利用连续的、基于元数据的中间特征的认知模型可以预测大脑如何在自然条件下工作并解码任务，在新的任务条件下也能成功预测从未进行过测试任务的大脑活动并解码任务。

研究结果表明了认知过程定量模型的可行性，通过在自然经验和大脑活动之间建立明确的模型来理解大脑，从全皮层角度为解码人类大脑认知提供了理论基础。

村山正宜

日本理化学研究所脑神经科学研究中心知觉和认知实验室负责人。研究兴趣集中在单细胞水平和网络水平上知觉和神经活动之间的因果关系。团队在《自然》《科学》《神经元》《美国科学院院报》等期刊上发表多篇论文。获得日本文部科学省颁发的科学技术表彰青年科学家奖。

胡海岚

浙江大学脑科学与脑医学学院教授兼教育部脑与脑机融合前沿科学中心主任。研究兴趣在探究情绪和社交行为在大脑中的编码和调控方式，主要侧重于抑郁症和社交优势的神经回路。获IBRO-Kemali国际奖和何梁何利奖。

合田裕纪子

日本理化学研究所脑神经科学中心副主任、突触可塑性和连接性实验室学科带头人。研究兴趣集中在特定神经环路内与其他突触的关系中，单个突触强度被设置和动态调整的细胞原理。同时关注星形胶质细胞在突触调节中的作用。

蒲慕明：非人灵长类动物助力生物医学研究

自我认知与自我意识研究和精神疾病的研究。团队以阿尔茨海默病失去自我认知能力为典型案例，认为镜像神经元系统对人类的自我认知和自我意识具有重要作用。这种独特能力的退化会导致相关的神经退行性疾病如阿尔茨海默病，以及分离性精神障碍如精神分裂症。

基因编辑开发动物模型。非人灵长类动物与人类进化相似，是理解人类神经生物学和脑疾病研究的重要模型。因此，以猕猴和狨猴为动物模型，研究在灵长类动物中最突出的高级认知功能，例如复杂的执行功能、同理心、社交行为和意识。随着有效的基因编辑技术，例如CRISPR/Cas9方法的不断发展，现在已经可以利用基因编辑的方法生成具有模仿基因缺陷表型的猴子。但是，要用作临床前动物研究，还需要开发拥有具有相对统一的遗传背景的猴子，类似于被开发为疾病模型的许多小鼠品系。基因编辑工具在敲除某些基因以及最近在利用体细胞核移植克隆猕猴的方法，可用于产生携带相同基因编辑的猕猴克隆。这些具有统一遗传背景的基因编辑猕猴对于研究灵长类动物神经生物学和开发人类疾病的疗法非常有用。

非人灵长类动物相关的伦理问题。尽管目前的研究证明猴子疾病模型在生物医学研究中的有效性，像其他前沿科学技术一样，对非人灵长类动物的使用不可避免地引发了伦理问题，应该以社会需求为目标来解决这些伦理问题。

村山正宜：成像技术为生物学研究开辟新途径

知觉与认知的研究。在感官知觉领域，团队的研究目标在于揭示有助于知觉的神经回路，包括这些回路中的信息流以及引起知觉的神经活动背后的神经机制。最近的研究发现自上而下的反馈回路在知觉中的重要性，而通过使用光遗传学抑制皮层——皮质相互作用是进行研究的重要手段。在单细胞分辨率下利用成像方法进行研究，不仅可以创造新的视野，而且还可以高分辨率地观察到神经活动，有助于进一步研究以阐明大脑的特性。

快速、单细胞分辨率、连续的双光子成像。具有单细胞分辨率、高信噪比且无光学像差的快速且宽泛的成像技术，为生物学研究开辟了新途径。但是由于这些参数之间不可避免的折中，使得此种成像具有挑战性。团队通过结合共振扫描系统，使用具有低放大倍率和高数值孔径的大物镜以及高度灵敏的大口径光电探测器解决了这一问题。其结果表明可以实现几乎没有像差、快速扫描的高光学不变双光子显微镜（FASHIO-2PM）。能够在3mm×3mm连续图像平面中以7.5Hz的频率进行钙成像，其中包括约16000个神经元组成的大型网络。通过基于单细胞活动的网络分析，FASHIO-2PM将有助于揭示生物动力学原理。

何生

中国科学院生物物理研究所脑与认知科学国家重点实验室主任。主要研究方向是人类认知神经科学，特别是视觉认知。他利用心理物理学和脑成像工具来研究视觉对象识别、注意和意识的机制。

托马斯·麦克休（Thomas McHugh）

日本理化学研究所脑神经科学研究中心电路与行为生理学实验室学科带头人。其团队利用多学科方法来理解记忆是如何在哺乳动物大脑内形成、储存和提取的，以及压力和疾病等因素是如何损害这些功能的。

胡海岚：抑郁的神经机制——我们从氯胺酮中学到了什么

抑郁症发病机理。团队通过研究老鼠的抑郁症模型发现外侧缰核在抑郁症的病理生理学中的重要性。通过全脑钙成像的方法对患有抑郁症的鱼进行研究，发现在许多动物模型以及抑郁症患者中外侧缰核均显示出持续升高的活动。外侧缰核是边缘系统与中脑中枢相互连接的中继站。

氯胺酮快速持久抗抑郁的全新神经机制。团队进一步发现，虽然在外侧缰核区域的大部分神经元是谷氨酸能的，但这一脑区能够抑制VTA多巴胺和背侧Raphe神经元。NMDAR阻滞剂AP5具有很强的抗抑郁作用。通过一系列精心设计的实验，团队能够证明抑郁症的潜在神经机制在于外侧缰核细胞的过度活跃簇状放电，进而抑制了边缘区域基于奖励的加工。研究表明由于其物理、药代动力学和药效学性质，氯胺酮可以成为抗抑郁的重要临床工具。并进一步解释了氯胺酮如何通过阻断大脑外侧缰核区域神经元的簇状放电，终结这种放电对下游单胺类奖赏脑区的过度抑制，从而产生快速和持续的抗抑郁疗效。

合田裕纪子：海马神经元突触权重分布规律

突触是大脑中信息传输的基本节点，突触前和突触后强度具有高度的异质性，在信息传递中具有不同功能。理解突触强度的分布，可以提高网络的计算能力和存储容量，并且，这些树突树上特定突触强度的实际空间位置是控制信息输入/输出关系的关键因素。其研究发现突触强度存在三种空间模式：随机连接，突触在树突树中随机分布；同时具有随机连接和高度聚集的分支；结构连接，大部分的输入按照树突分支聚集。树突学习规律会根据输入分布的空间模式而改变，这凸显了突触强度空间模式的重要性。

突触之间的局部相互作用或活性依赖的局部以及稍宽尺度上的相互作用可能会影响簇状突触的形成，空间尺度也可能影响树突细胞的整合，从而影响放电特性。突触可塑性具有两种对立的形式：快速、输入特定的可塑性；缓慢、整体、代偿性的稳态可塑性。在一些复杂的情况下，不需要特定输入，稳态可塑性不再是缓慢、全局的。更复杂的情况是，诱导LTP，该效应可能会扩散到相邻突触（即相邻突触也被增强）或相邻突触可能被抑制。对于LTD则情况相反。

围绕海马神经元突触权重分布规律，团队围绕三个具体问题展开了研究：

特定连接中突触强度的异质性是否具有潜在的结构？

通过在海马切片组织中突触前和突触后的配对分析，发现突触后强度分离依赖于树突分支和局部的突触前输入。

单个突触的突触前和突触后强度如何经历活动依赖性变化？

发现对CA3重复连接诱导LTD会触发刺激和非刺激突触的可塑性，而在突触簇上诱导LTP触发了不同突触的可塑性，其极性取决于沿树突段的距离（距离依赖的突触异质的可塑性）。

有没有机制控制突触群中突触强度分布的形状？

发现星形胶质细胞信号在群体间影响突触前强度的变异性。团队的研究目标是更好地理解局部突触回路操作的分子和细胞基础，用介观/宏观方法探索大脑功能间的鸿沟，希望对回路性能优化、更好控制神经回路、精准实现分子工具有所贡献。

何生：脑内反馈信号的功能作用

关于视觉意识相关神经机制的两个方面：意识的功能，主要通过无意识大脑的能力来进行研究；理解意识的关键功能成分，即脑内反馈信号的作用。

团队在意识功能方面的研究包括通过双眼竞争任务来研究注意和意识的关系，发现两者间明显的分离，空间注意能够为视域外图片所吸引或转移。近期对内克尔立方体的研究发现，即使在无意识状态下，线条图的3D结构也能发生适应效应。

脑内反馈信号在视觉对象加工和视觉适应中的性质和影响研究。循环处理在很大程度上依赖于反馈信号。意识的全局（神经元）工作空间理论也有这种自上而下的注意，即一种反馈操作，对意识的起源非常关键。另一个有影响力的理论是意识的整合理论，实质是信息整合，即指网络的因果结构，在很大程度上取决于反馈的相互联系。其实验室研究人员利用功能磁共振研究人类大脑，7T核磁共振设备具有较高的分辨率，能够区分大脑皮层的各个层，基于不同层的反馈信号，可以描绘某些皮层区域的表征主要是由前馈或反馈驱动的。

两个具体的心理物理学实验。第一个实验是心理物理经颅磁刺激干预实验，目的是检测当选择性破坏反馈信号后，大脑发生了什么。实验中，在周围物体呈现后，经过不同的延迟时间，在中央凹处注入视觉噪声。该实验的逻辑是延迟的视觉噪声会破坏高级脑区对物体视觉刺激的反馈信号。结果发现反馈信号具有功能相关性、任务依赖性和时间灵活性的特点。第二个实验是关于皮层区域是否能够利用反馈信号来调节其敏感性。功能磁共振和EEG结果都表明对方向的表征是反馈驱动的，方向选择性更加依赖于反馈信号。

研究结果表明，反馈信号在物体识别中发挥重要作用，具有时变性、任务依赖性，在决定视皮层神经元敏感性方面比前馈信号更为重要。

托马斯·麦克休：皮层下回路对记忆的调节作用

海马不同区域对动物情节记忆的不同方面各有贡献。情景记忆可以简单定义为对所经历的人、事、地、时的记忆。麦克休教授实验室利用小鼠，以海马为模型，从回路水平上理解记忆。海马可以分为四个主要区域：齿状回（DG）、CA1、CA2和CA3，现存很多关于不同亚区如何作用于动物情景记忆的不同方面的理论。

下丘脑的新奇信号调节海马记忆。团队对海马与皮层下区域的连接和关系非常感兴趣，重点介绍了关于研究海马和乳头体上核（SuM）间关系的工作。SuM位于下丘脑后内侧，与控制情绪和认知的区域有广泛的连接，与海马的DG和CA2分区有直接投射关系，表现出焦虑、情境新奇性、空间工作记忆、压力、恐惧，是睡眠上行觉醒回路的一部分。过去的研究表明，CA2与社交记忆有关，DG与新奇检测有关。

团队的工作结合了解剖学特征、基因干预和在体记录，以解决非典型的皮层下输入和输出如何影响海马的信息流，并最终影响记忆和行为的问题。这项工作研究了SuM细胞在情境新奇和社交新奇条件下的活动，并取得多项研究发现，如SuM分离并选择性地将不同类型的信息传递到DG和CA2，以调节记忆加工。