主導(dǎo)大腦記憶的海馬區(qū)有了新發(fā)現(xiàn)，將為腦疾病治療提供理論指導(dǎo)

主導(dǎo)大腦記憶的海馬區(qū)有了新發(fā)現(xiàn)，將為腦疾病治療提供理論指導(dǎo)

海馬腦區(qū)有什么作用？除了學(xué)習(xí)記憶功能中的核心地位，海馬腦區(qū)還被發(fā)現(xiàn)參與了多種不同大腦功能，比如恐懼記憶、場(chǎng)景認(rèn)知、記憶泛化、情緒焦慮和社交記憶等。

隨著科學(xué)研究的推進(jìn)，海馬腦區(qū)的功能研究也在不斷拓展。2月2日，《科學(xué)》期刊在線發(fā)表了題為《Wholebrain spatial organization of hippocampal singleneuron projectomes》的研究論文。該研究解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律，并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫(kù)，也是目前世界上最大的單神經(jīng)元全腦投射圖譜數(shù)據(jù)集。

該研究成果由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）領(lǐng)銜，與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、海南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作完成。神經(jīng)科學(xué)研究所研究員徐春、孫衍剛、孫怡迪、姚海珊，臨港實(shí)驗(yàn)室研究員李澄宇和華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院龔輝教授為該論文共同通訊作者。

論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心研究員徐春對(duì)第一財(cái)經(jīng)介紹，海馬腦區(qū)是學(xué)習(xí)記憶、空間認(rèn)知、情感記憶的核心腦區(qū)，是退行性腦疾病中的核心腦區(qū)。文章解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律，并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫(kù)。“從這些空間聯(lián)接規(guī)律出發(fā)，就可以衍生出眾多的功能研究課題。”

為疾病治療提供理論指導(dǎo)

科學(xué)家們對(duì)海馬功能的探索已長(zhǎng)達(dá)近一個(gè)世紀(jì)。

有關(guān)海馬腦區(qū)與記憶功能緊密相連的科學(xué)證據(jù)，最早來自于廣為人知的Henry Molaison（19262008）病例研究。為了治療癲癇，病人被切除了海馬和周邊的部分顳葉組織。病人在術(shù)后表現(xiàn)為短期記憶嚴(yán)重受損，而長(zhǎng)期記憶卻不受影響。海馬與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)功能的研究拉開了序幕，之后海馬神經(jīng)元突觸可塑性的研究進(jìn)一步奠定了海馬腦區(qū)在學(xué)習(xí)記憶功能當(dāng)中的核心地位。

在上世紀(jì)七十年代，約翰·歐基夫（John O’Kefee）等科學(xué)家首先在大鼠的海馬區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了位置細(xì)胞（place cell），并獲得2014年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，從此也揭示了海馬區(qū)在空間信息表征和導(dǎo)航中的重要作用。

不過，以往的研究絕大部分都停留在群體神經(jīng)元標(biāo)記的水平，海馬單神經(jīng)元的多樣化全腦投射模式并不清楚。因此，研究單個(gè)海馬神經(jīng)元的全腦投射模式具有重要的科學(xué)意義。該研究從細(xì)胞圖譜到聯(lián)接圖譜，揭示了全新的海馬神經(jīng)元投射模式以及海馬體內(nèi)外靶區(qū)的協(xié)調(diào)投射規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了海馬單細(xì)胞的空間投射規(guī)律。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明介紹，這些研究成果為研究海馬神經(jīng)元相關(guān)的功能和疾病提供了環(huán)路和分子基因的靶點(diǎn)，為左右腦半球的信息交流和相互調(diào)節(jié)提供了新的證據(jù)，為海馬參與學(xué)習(xí)記憶、空間認(rèn)知、導(dǎo)航、焦慮、應(yīng)激等多種功能提供新的神經(jīng)環(huán)路理論指導(dǎo)。

雖然作者團(tuán)隊(duì)大多都是學(xué)生物出身，不過為了做這個(gè)課題，徐春他們也開始涉足計(jì)算機(jī)學(xué)科的研究。“在數(shù)據(jù)分析中，我們需要做很多計(jì)算機(jī)類、偏數(shù)學(xué)的技術(shù)處理，這對(duì)我們來說是非常困難有挑戰(zhàn)的學(xué)習(xí)過程。所以我們有很長(zhǎng)的一段時(shí)間都在反復(fù)嘗試用什么樣的分析方法、方式來研究，比如海馬腦區(qū)的長(zhǎng)軸到底怎么樣能把它抓取出來，都是很大的挑戰(zhàn)。”徐春說。

在和數(shù)據(jù)與計(jì)算中心的同事進(jìn)行合作交流后，徐春領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)最后找到了解決方案——三維重構(gòu)了上萬個(gè)小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦投射軸突形態(tài)。這些海馬神經(jīng)元的胞體覆蓋了海馬的各個(gè)亞區(qū)和海馬多維軸向的不同位置。

據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹，該研究構(gòu)建的小鼠海馬區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)已經(jīng)通過腦科學(xué)門戶網(wǎng)站公開共享（https://mouse.digitalbrain.cn/hipp）。中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心腦科學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心開發(fā)了集可視化、交互和分析為一體的工具，并提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

中國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃要重點(diǎn)突破

我國(guó)“十四五”規(guī)劃將“腦科學(xué)”列為國(guó)家重點(diǎn)前沿科技項(xiàng)目。2021年9月，科技部公布的科技創(chuàng)新2030“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南，涉及59個(gè)研究領(lǐng)域和方向，國(guó)家撥款經(jīng)費(fèi)預(yù)計(jì)超過31.48億元人民幣，這也標(biāo)志著中國(guó)腦計(jì)劃正式啟動(dòng)實(shí)施。

對(duì)于中國(guó)“腦計(jì)劃”，各領(lǐng)域科學(xué)家提出了“一體兩翼”的布局建議，即以研究腦認(rèn)知的神經(jīng)原理為“主體”，研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機(jī)智能新技術(shù)為“兩翼”。

2日刊發(fā)的研究就受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技部科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“腦科學(xué)與類腦研究”、上海市級(jí)重大專項(xiàng)“全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜與克隆猴模型計(jì)劃”、中國(guó)科學(xué)院、基金委、上海市、臨港實(shí)驗(yàn)室重大任務(wù)等項(xiàng)目的支持。

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明對(duì)第一財(cái)經(jīng)介紹，中國(guó)腦計(jì)劃的一個(gè)重要目標(biāo)，就是要弄清全腦神經(jīng)元是如何聯(lián)接的。他解釋，美國(guó)腦計(jì)劃起步早，已開展十年，而中國(guó)腦計(jì)劃剛推行兩年，還需要更多支撐并突出優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

比如我國(guó)目前在聯(lián)接圖譜和非人靈長(zhǎng)類領(lǐng)域在國(guó)際上是有優(yōu)勢(shì)的，但還需要更多人的參與與支撐，并展開國(guó)際合作，畢竟猴腦比鼠腦要復(fù)雜得多，需要全世界的合作來完成這個(gè)任務(wù)。“而且科學(xué)研究中不是說所有的內(nèi)容都要去做，而是 ‘有所為，有所不為’，在重要的領(lǐng)域占有一席之地，突出優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。”蒲慕明說。

對(duì)于該研究的下一步計(jì)劃，徐春告訴記者，首先就是關(guān)心跨物種的演化，因?yàn)楝F(xiàn)在是在小鼠身上，而海馬腦區(qū)是一個(gè)進(jìn)化非常保守的區(qū)域，“希望能夠把這項(xiàng)研究推廣到其他物種，這個(gè)方向也是我們未來要做的。”