Brain-X (交叉脑科学)：Volume 1 Issue 2，正式上线！
本期概况：
期刊本期封面：封面仍旧是以Brain为中心，交叉融合领域涉及：分子生物学(DNA双螺旋、生命医学)、脑机交互(脑机接口、信息科学、材料科学)、光遗传学（物理科学、生命医学）；背景为数学、物理、信息、化学等学科（第二期增加了物理、信息等内容），意喻与脑科学相关的交叉科学领域。
本期各类型文章：2篇Research article，1篇Review，以及6篇Commentary，已经全都上线。本期文章，涉及的学科包括：数学、物理、化学、工程与材料等。
本期文章主题介绍：
Research Article
1. 王中林院士、孙其君、田博博：基于α-In2Se3的多模态神经形态晶体管
中国科学院北京纳米能源与系统研究所（Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, CAS）孙其君课题组提出将TENG与α相硒化铟（α-In2Se3）突触晶体管相结合，构建了一种具有多模态可塑性的摩擦电-铁电-光电人工神经形态晶体管。由于α-In2Se3良好的铁电和光电特性，在TENG的接触分离动作下，位移脉冲能够影响α-In2Se3的铁电极化并触发突触后电流（PSC），并且在620 nm光照的作用下同样能够模拟典型的光突触行为，其突触特征包括短时程/长时程可塑性、双脉冲易化和脉冲频率依赖可塑性等。在机械位移和光照的协同作用下实现异突触可塑性和时空动态逻辑功能。
该工作所提出的摩擦电-铁电-光电人工神经形态晶体管在交互式神经网络和下一代人工智能领域中具备较大的应用潜力。该成果已发表在Brain-X（交叉脑科学）上，文题为“Tribo-ferro-optoelectronic neuromorphic transistor of α-In2Se3”。课题组硕士研究生冯振语为该论文第一作者，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、孙其君研究员和华东师范大学田博博教授为共同通讯作者。
2.北京理工大学唐晓英、李汉军、蒋振奇：儿童脑发育中的影像学标志物
2-8岁儿童脑发育中的重要性是不可低估的。随着儿童和青少年的成长，他们不断提高认知能力，如语义识别和语言处理。特定脑区的发育可能作为反映儿童语言能力增长的重要神经标记。因此，通过研究特定脑区与这些区域、年龄和语言能力之间的关系，可以获得关于儿童语言能力发展的重要见解。
基于此，北京理工大学（Beijing Institute of Technology）医学技术学院的唐晓英教授课题组，对2-8岁儿童进行了被动观看的功能磁共振成像（passive viewing fMRI）研究，并进行了体素级别的特征提取。该研究发现：右侧额下回三角部和后扣带回的多模式发展是2-8岁儿童语音意识和快速命名能力发展的影像学标志物。这些结果为揭示2-8岁儿童语言能力的脑影像发展提供了一定的证据。
该研究发表在交叉脑科学新刊Brain-X，标题为“Functional Magnetic Resonance Imaging Study of Children’s Brain Development in Phonological Processing and Speeded Naming”。课题组博士研究生宋泽雨为该论文第一作者，唐晓英教授、李汉军副研究员及蒋振奇副研究员为共同通讯作者。
Review
1.浙江大学祝向东团队：人工智能模型Transformer在脑肿瘤诊断和治疗中的应用
恶性脑肿瘤显著增加了全球人类致残率和死亡率，早期发现和诊断是改善脑肿瘤治疗效果的关键。目前，Transformer作为一种可应用于脑肿瘤诊断和治疗的深度学习模型，正在吸引广大研究者的广泛关注。Transformer模型利用注意力机制来提高模型训练速度，以便有效地进行处理和分析。
基于此，浙江大学医学院祝向东教授团队在Brain-X 发表了题为“Potential roles of transformers in brain tumor diagnosis and treatment”的综述论文，本文系统分析和讨论了基于Transformer的各种算法，在脑肿瘤诊断和治疗中的适用性及其应用前景，并讨论了局限性和改进方向。未来Transformer将会被越来越多地应用于脑肿瘤的诊断和治疗。但目前还需要更加深入的研究工作来探索如何提高模型效率及其与其他技术的耦合等关键挑战，并应用于其他医疗数据。
第一兼通讯作者为浙江大学医学院附属第二医院神经外科蓝玉龙医师，浙江大学医学院附属第二医院神经外科祝向东教授为共同通讯作者。
Commentary
1.天津医科大学雷平教授：神经退变和脑衰老过程中神经元DNA修复新机制
近期，发表在Nature上题为“A NPAS4‐NuA4 Complex Couples Synaptic Activity to DNA Repair”的研究，揭示了神经元在外部刺激下维持基因组稳定性的一种新机制，从而为开发改善神经退行性疾病和脑衰老的治疗策略提供了新的选择。基于此，Brain-X对此问题进行了Commentary：以“Novel mechanism of DNA repair in neurons opens promising avenues for combatting neurodegenerative diseases and brain aging”为主题展开讨论。
NPAS4是一种神经活动诱导的转录因子。NPAS4-NuA4复合物在神经退行性疾病的发生发展和大脑衰老过程中具有关键作用。它能够响应由感官体验驱动的神经元活动变化，与发生损伤的转录调控元件结合，并激活下游DNA修复机制，从而防止年龄依赖性的DNA突变积累。在神经发育过程中，防止NPAS4-NuA4复合体突变，是维持兴奋性和抑制性神经元的适当比例是维持神经元存活的关键，也是调控神经退行性疾病中神经元活动依赖性调节元件与神经元功能障碍间联系的关键靶点。这一发现使NPAS4-NuA4 复合物及其上下游通路，成为了治疗阿尔茨海默病及帕金森病的药物的潜在靶点。
该研究也给我们带来了一系列思考：在神经元之外，其它类型的细胞是否都能够根据其所接收到的外界刺激来调节自身转录活性，进而保护易受伤的DNA位点并维护基因组稳定性。此外，上述神经元独特修复机制的发现是基于小鼠模型的研究成果，其尚未在人类神经系统中得到验证。未来如能开展相关实验，NPAS4-NuA4复合物的各种蛋白组分的功能及上游调控机制将有望得到进一步阐明，从而帮助我们更好地理解神经退行性疾病的发生和发展机制。
综上所述，NPAS4-NuA4复合物作为关键介质，是维持神经元基因组稳定性的重要分子机制。作为治疗神经退行性疾病、改善脑衰老的潜在药物靶点，我们期待在未来看到更多关于这一复合物的研究，以及相关治疗策略的转化应用。
麻省理工学院Broad研究所张锋教授及其团队，近期在Nature杂志发表”Programmable protein delivery with a bacterial contractile injection system”的研究，揭示了生物递送新成果，开辟了利用细菌实现蛋白质递送的新方向。基于此项研究，Brain-X 以”Revolutionary delivery system enables precise protein transportation”为题，对该项研究开展了相关讨论。
基于主动靶向的蛋白质递送是医学领域的关注热点，但传统靶向分子难以匹配、靶向效率低及免疫原性问题依然无法被顺利解决，如何实现精准的蛋白质靶向递送一直是医学研究中的重大难题。将细菌转化为具有识别能力的“注射器”，联合基因编辑特有优势，形成了张锋教授团队最新的研究结果，即通过内共生细菌特有的类似于噬菌体尾部的收缩注射系统（CIS），完成蛋白质的精准递送。向神经系统输送蛋白质的主要挑战在于如何非侵入性地、有效地穿越血脑屏障（BBB）。体内实验结果表明，改造后的PVC可精准靶向小鼠的海马体神经元细胞，提示其可不受BBB限制实现高效准确的颅内靶向。
改造后的eCIS在人类细胞和小鼠大脑中展现出精准的蛋白质靶向递送性能
基于eCIS实施的精准蛋白质靶向递送系统，不仅有助于解决基因编辑的长期瓶颈，还为中枢神经系统递送存在的相关挑战提供了可行的解决方案。然而，我们也应该注意到，鉴于人类免疫系统的复杂特性，eCIS的免疫原性是否会诱发免疫反应，进而降低其传递效率，还有待观察。因此，在该系统能够应用于人类治疗之前，体内eCIS的安全性和有效性是未来需要解决的最重要问题之一。
3.神经振荡之谜 — 40Hz神经夹带对阿尔兹海默症的疗效争议
自2016年以来，一系列论文表明，40Hz（赫兹）的刺激通过减少淀粉样蛋白的积累，并改善与该疾病相关的小胶质细胞的功能，有效地提高了AD模型小鼠的认知能力。Buzsáki教授的实验室2023年发表在Nature Neuroscience杂志上的一篇论文对这一系列发现表示怀疑。在这项研究中，研究团队使用具有两种AD模型的小鼠，即APP/PS1和5xFAD，来探索急性或慢性40Hz光刺激对Aβ蛋白、小胶质细胞和gamma振荡的影响。首先，他们发现40Hz的光刺激对Aβ的沉积水平和小胶质细胞的形态没有影响，无论是在体外还是体内。接下来，他们证明了40Hz夹带不会参与特定大脑区域（视觉皮层、海马体和内嗅皮层）的内源性gamma振荡。这项研究至少排除了一种可能的机制，即并非以自然gamma振荡的夹带来减少AD症状。目前寻找替代机制的工作仍在进行中。
基于此，中科院深圳先进院韩传亮博士在Brain-X（交叉脑科学）上发表评论文章，对上述工作进行评述和展望。
考虑到40Hz刺激导致的行为显著改善，毫无疑问，潜在的机制一定与gamma频段活动（30–100Hz）有一些特殊的相关性。同样来自Buzsáki教授实验室的另一项研究揭示了不同gamma振荡在认知功能，特别是学习作用中的直接证据。随后，同年发表的一项研究，进一步支持了多种gamma振荡发挥不同作用的假设，但这次是在视觉系统（初级视觉皮层（V1）和LGN），而不是边缘系统。Gamma振荡可能不是阿尔茨海默病的基本治疗方法，但它似乎确实能保持某种功能，未来需要更多的研究来找到诱导大脑内部gamma振荡的最佳目标。
同时，未来还需要更多的研究来解决40Hz夹带对AD治疗的神经机制。目前，还有许多悬而未决的问题。不同类型和过程的AD是否会从相同的夹带方法中受益。不同的实验条件如何影响这一争议，包括不同的实验设备、光源类型等。40Hz刺激产生副作用的可能性，尚不清楚，例如是否会存在诱发癫痫的可能。总之，尽管目前对夹带的使用存在争议，但仍在努力探索其背后的机制。
4.埃克塞特大学张金伟博士：麻醉调控下的意识恢复新机制
神经科学对于全身麻醉机制的理解面临一些挑战，尤其是在麻醉苏醒过程中。近期，南方科技大学宋学军教授团队发表在Nature Neuroscience上题为“Emergence of consciousness from anesthesia through ubiquitin degradation of KCC2 in the ventral posteromedial nucleus of the thalamus”的研究，揭示了意识消失后重新启动的分子神经机制，为认识意识本质、意识障碍和意识复苏的生物学基础提供了宝贵的线索。基于此，Brain-X （交叉脑科学）就此问题进行了 ”A new mechanism of consciousness recovery from anesthesia regulated by K+-Cl– cotransporter KCC2”为主题的讨论。
传统观点认为，麻醉剂的分解导致麻醉状态逐渐解除，从而实现意识的恢复。然而，这项研究结果对这一观点提出了质疑，并提出了一个不同的解释，即意识恢复是一个主动而非被动的过程。这些新的研究发现表明，所谓的被动恢复只是一种外部观察到的现象，它可能掩盖了实际上在意识恢复过程中发生的更为复杂的神经活动。意识的恢复可能涉及多个神经系统和脑区的协同作用，包括意识的生成和调控的相关神经环路。
图 1. 清醒和麻醉状态下 GABAA 受体和 KCC2 对神经元 Cl- 的调节示意图
这项研究为复杂医疗案例中恢复意识的潜在方法提供了一个新的视角，发现包括异丙酚在内的四种麻醉剂，具有共同的意识恢复机制。其中包括通过不同途径作用于异丙酚的氯胺酮也利用了这种机制。该研究探索了重新连接神经网络所涉及的神经和分子机制，揭示了意识主动重启的共同机制，为我们理解意识本质提供了新见解。
5.北京大学郑杰：阻断线粒体丙酮酸载体，可唤醒沉睡的神经干细胞
近期发表在Science Advances期刊上题为“Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells”的文章，报道了一种激活成年大脑静止神经干细胞的新途径，即通过敲除或药物抑制线粒体丙酮酸转运体（MPC），可刺激静息态NSPCs转变为活跃状态，从而促进年轻和中年小鼠海马神经发生。北京大学神经科学研究所施亚娇、郑杰等人受邀在Brain-X（交叉脑科学）上发表评论文章，对上述工作进行评述和展望。
6.SPEAC-seq：一种研究星形胶质细胞-小胶质细胞互作的新方法
最近，Francisco J. Quintana教授的团队在Nature上发表论文，他们开发了一种新的技术来识别细胞-细胞相互作用机制（SPEAC-seq）。该技术结合了CRISPR-Cas9、细胞在液滴中的共培养以及基于微流控的荧光激活液滴分选。基于此项研究，山东大学刘付臣、唐窈在Brain-X （交叉脑科学）就此问题进行了 “SPEAC-seq: A new method to investigate astrocyte-microglia crosstalk”为主题的讨论。
阐明细胞间相互作用机制，可能有助于发现中枢神经系统疾病的潜在治疗靶点。未来，SPEAC-seq可能与表观基因组、转录组、蛋白质组和/或代谢组学分析相结合，以鉴定细胞间通讯的治疗调节剂。
SPEAC-seq：用于研究细胞间通讯的平台
SPEAC-seq对阐明细胞间相互作用的机制具有重要意义，有望为中枢神经系统疾病的治疗带来新的突破。这一创新技术有望推动细胞间通讯的研究，并为神经免疫学和与CNS相关的研究做出重要贡献。
最后编辑于 2023-08-24 · 浏览 1085
