天桥脑科学研究院

Our News

研究院动态

2022年10月25日,复旦大学药理学系主任、天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute, TCCI)研究员黄志力教授团队在Cell Discovery杂志发表最新研究,报道了终止快速眼动睡眠的新核团及其神经环路机制。

 

 

睡眠约占人类一生时长的三分之一,良好的睡眠是维持机体平衡的基本条件。周期节律性和连续性则是衡量睡眠健康的重要维度。典型的睡眠由非快速眼动(NREM)和快速眼动(REM)睡眠两个时相构成。其中,REM睡眠与记忆巩固、情绪疾病、神经退行性疾病、压力应激等密切关联,但REM睡眠发生和终止的神经生物学机制尚不明确。

 

研究人员通过钙离子光纤记录、在体及离体电生理记录、光遗传学、化学遗传学和RNA干扰等技术,发现特异性激活脑干深部中脑核团背侧部(dDpMe)GABA能神经元,可快速终止REM睡眠,并促进REM睡眠向NREM睡眠转换;相反,抑制此类神经元,可诱发REM睡眠。研究人员进一步运用多通道在体记录技术,按神经元电生理发放特征,将dDpMe中的GABA能神经元分为1型和2型两类,明确了1型神经元在REM睡眠期放电活性最低。

 

为阐明dDpMe GABA能神经元的神经环路,研究者运用神经示踪与光遗传学调控方法进行了探究,发现dDpMe中的GABA能神经元通过投射到脑桥背外侧被盖核下部(SLD)和外侧下丘脑(LH)的神经纤维,来调控REM睡眠。下游SLD核团中的谷氨酸能神经元在REM调控中发挥关键性作用。

 

将AAV-ChR2注射到GAD2-Cre小鼠的dDpMe中,在SLD或LH中记录到相关反应

 

临床上,以下丘脑食欲肽神经元变性为特征的发作性睡病患者,在清醒状态下常发生猝倒,并伴随脑电信号θ波升高、肌张力消失等REM样睡眠表型。猝倒的发生机制和干预策略有待阐明。为了确定dDpMe GABA能神经元在猝倒中的作用,研究人员通过特异性损毁小鼠下丘脑食欲肽神经元,成功构建了小鼠猝倒模型,进行了相关探究。

 

巧克力通常被用作触发猝倒的刺激物,研究人员给实验小鼠喂食巧克力时,小鼠在清醒期发生了突发性肌无力和类似REM的睡眠,表现出猝倒现象。接着,研究人员运用光遗传技术特异性激活dDpMe GABA能神经元,发现可有效阻止猝倒发作,小鼠保持正常肌张力。这一发现对诠释猝倒的病理生理学机制有着重要意义。

 

本研究不仅发现了终止REM睡眠的新核团,同时阐明了REM睡眠调控的神经环路新机制。研究还进一步提出,选择性调控dDpMe GABA能神经元活性对临床干预猝倒具有潜在价值。

01

2022-11

2022年10月3日,复旦大学附属华山医院院长、天桥脑科学研究院转化中心(Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Translational Research)主任毛颖教授与华山医院神经外科教授、天桥脑科学研究院(TCCI)研究员陈亮等在Neuron上发表了名为“Visual Cortex Encodes Timing Information in Humans and Mice”的文章,揭示了视皮层编码时间预测信息的重要机制。

 

 

大多数人类行为都涉及对时间和空间的感知。其中,对环境中不同时间间隔出现的各种信号的感知和预测对动物的生存和演化意义重大。大脑不仅需要对大时间尺度的信息进行处理,比如对昼夜节律的感知主要由下丘脑的视交叉上核驱动,也需要在非常短的时间尺度内处理信息,比如及时躲避天敌。动物必须有效地对不同的时间信号作出准确的预测,但人们对大脑如何表征秒到十秒量级内的时间信息知之甚少。

 

为了弄清楚在秒到十秒量级的时间感知中,哪些脑区发挥关键作用,研究团队使用能够以毫秒时间分辨率测量颅内电活动的多通道脑电(SEEG)进行研究。通过记录、分析人脑中28个脑区的颅内SEEG信号,团队发现在作出时间信息预测行为前,初级视皮层的脑电显示出两个特征:alpha波段能量上升以及delta波段出现相位同步。 

 

 

人脑初级视皮层中时间信息预测相关活动

 

为了进一步解决介导这种时间预测行为的细胞和环路机制,团队应用光遗传和在体膜片钳记录等多项实验技术对小鼠进行了研究。结合行为学实验,团队发现小鼠的时间预测行为与人类相似,也与初级视皮层的脑电能量高度相关。此外,研究还发现部分视皮层神经元存在与时间信息预测相关的兴奋性增强,且兴奋性增强的视皮层神经元存在顺序放电的显著特征。

 

在这些生物学实验的基础上,团队提出了基于双层吸引子和时间细胞(time cell)的皮层计算模型,该计算模型揭示了视皮层神经网络在处理秒级时间信息时存在自我修正的可塑性规律。通过这种可塑性变化规律,视皮层能对视觉的时间预测信息进行编码,从而显著推进了对大脑时间预测机制的认识。

 

 

人和小鼠时间预测行为、脑电信号及时间细胞可塑性示意图

 

此次研究不仅证明了以秒为尺度的时间信息主要通过局部振荡在视皮层中表征来指导行为,还开辟了通过人类SEEG记录与小鼠环路水平研究相结合的方式,来解剖大脑网络的可能性。

14

2022-10

近期,复旦大学附属华山医院教授、天桥脑科学研究院(TCCI)研究员郁金泰团队及合作者在《柳叶刀》子刊《eClinicalMedicine》上发表了题为“Development of a novel dementia risk prediction model in the general population: A large, longitudinal, population-based machine-learning study”的研究。该研究旨在开发全新的痴呆风险预测模型,提高风险人群的早期识别。

 

 

痴呆是由多种脑部疾病导致的慢性或进行性综合征,包括记忆、思维、定向、计算、理解、学习能力、语言和判断功能的紊乱。痴呆存在多种不同形式,其中最常见的是阿尔茨海默病(可能占痴呆病例的60%~70%)。随着社会老龄化的加剧,痴呆患者人数逐年递增。全世界大约有5000万痴呆患者,每年新增病例1000万,给个人、家庭和社会带来了沉重的身体、心理和经济负担。

 

由于痴呆病程长,在发病前20年就会出现病理性改变,当患者诊断为痴呆时,往往已错过了最佳的治疗时间窗。因此,亟需寻找早期预测痴呆的方法,识别痴呆高风险人群。为此,郁金泰教授团队及合作者开展了此项研究。

 

研究人员在英国生物样本库(UK Biobank)的纵向人群队列中,随访了425159位40~69岁的非痴呆参与者(中位随访时间为11.9年),其中5287位参与者被诊断为新发痴呆。研究纳入参与者的认知、生化、行为和基因等多维度健康相关指标366个,涵盖了广泛的遗传和环境因素。

 

随后,研究人员运用机器学习算法,计算每个指标对痴呆预测模型的重要程度,最终选出排名前十的指标作为痴呆预测因子,构建了UKB-DRP痴呆预测模型。这十个预测因子是:年龄、载脂蛋白E(ApoE)基因、认知配对测试时长、腿部脂肪百分比、服药数量、认知反应测试时长、呼气峰流量、母亲死亡年龄、慢性疾病和平均红细胞体积。

 

预测因子重要度排序和模型纳入预测因子对痴呆的预测效能(水平杆范围越宽,对预测的影响越大) 

 

UKB-DRP痴呆预测模型对未来五年、十年甚至更长时间的全因痴呆和阿尔茨海默病的预测效能均较高,其中全因痴呆的预测AUC值为0.85,而阿尔茨海默病的预测AUC值更高,可达0.86~0.89。AUC的取值范围在0.5和1之间,AUC越接近1.0,检测方法真实性越高。

 

研究人员进一步对UKB-DRP预测痴呆模型的风险校准度进行了评估,模型预测的新发痴呆事件和观察到的痴呆发生事件一致性较高。研究人员还将UKB-DRP痴呆预测模型与国际上已发表的预测模型进行了比较,结果表明UKB-DRP痴呆预测模型的预测精度明显更优。

 

除此之外,UKB-DRP痴呆预测模型的优势在于,其纳入的十个预测因子可以从问卷调查、简单查体和常规血液检查中快速获取。相比其他基于昂贵全基因组测序、有创腰椎穿刺或PET影像等复杂预测因子建立的模型,UKB-DRP痴呆预测模型可广泛应用于各级医疗单位的早期筛查。

 

为便于民众一键式操作,研究团队研发了UKB-DRP痴呆预测模型的网页版应用(https://jiayou0907.shinyapps.io/UKB-DRP-Tool/)。使用者在页面左侧输入待测个体的相关信息,就可以获取个体未来五年、十年甚至更长时间的痴呆发病风险。

 

总之,本研究确定的全新痴呆风险预测模型,为痴呆的早期筛查提供了有力工具,有利于在疾病早期开展有效的精确预防和干预,进而延缓病程进展,降低疾病负担。

 

29

2022-08

  焦虑症是全世界最普遍的精神疾病之一。焦虑是一种高度忧虑、唤醒和警惕的精神状态,通常由对威胁的预期引起。荟萃分析表明,诱发性焦虑和病理性焦虑之间存在重叠的神经生物学机制,从而可以通过诱发状态焦虑来研究焦虑的机制和干预效果。

      现有的状态焦虑测量,如常用的状态焦虑量表(STAI-S),主要依赖于时间分辨率较低的主观性问卷。并且,状态焦虑不仅伴随着即时的心理反应,表现为情绪的高唤醒、低效价和低支配性等特征;同时也伴随着相应的生理反应,例如心率增加、心率变异性降低和皮肤电导水平升高。然而,目前仍然缺乏基于心理和生理反应的状态焦虑的定量表征,这限制了焦虑诱导范式中不断变化的状态焦虑水平的动态跟踪。

      天桥脑科学研究院(TCCI)研究员、上海交通大学医学院附属精神卫生中心杨志教授团队近期在发表于《精神病学前沿》杂志上的一项工作中,揭示了一种具有高时间分辨率的状态焦虑跟踪模型。为了捕捉状态焦虑水平的动态变化,在实验中通过暴露于厌恶图片或电击风险来诱导被试的状态焦虑(任务前后测量STAI-S的评分),并同时记录多模态数据,包括情绪维度评分、心电和皮肤电反应。研究者基于多模态数据训练和验证了预测状态焦虑的机器学习模型。

 

图1. 实验流程

 

      研究者首先行为测试确认两种焦虑诱发任务均成功地诱发了状态焦虑,再通过相关分析检验心理和生理特征与 STAI-S 分数之间的关系,发现情绪维度指标VAD与STAI-S存在焦虑相应的显着的相关关系;特定的生理指标同样也与状态焦虑密切相关。接着,研究者基于多模态数据将四种不同的回归模型用于预测 STAI-S并比较了它们的预测性能。结合心理特征和生理特征时,回归模型预测的 STAI-S 和实际的 STAI-S 之间的存在显着的正相关关系。并且,单独使用生理特征时,回归模型同样也可以预测 STAI-S。

 

图2. 多模态数据预测STAI-S

 

      本研究提出了一种基于心理和生理的多模态数据的状态焦虑动态跟踪模型,该模型反映了个体状态焦虑在高时间分辨下的动态变化。并且,该模型仅使用客观且易于获取的生理信号便可准确测量静息状态下的状态焦虑,为未来的情感脑机交互和焦虑调节研究提供了状态焦虑水平的敏感性测量。

      上海交通大学医学院附属精神卫生中心丁悦副研究员、刘静静硕士生为本工作第一作者。该项工作受到国家自然科学基金、上海市科委、及天桥脑科学研究院(TCCI)的资助。

Ding Y, Liu J, Zhang X, Yang Z (2022): Dynamic Tracking of State Anxiety via Multi-Modal Data and Machine Learning. Front Psychiatry 13: 757961.

10

2022-05

我国科学家首次绘制脑发育黄金期生长曲线

脑是人类智慧的所在。6岁时,儿童的大脑成熟度超过90%。因此,6岁之前被认为是脑发育的“黄金”期,是感知觉经验和智力发育的核心阶段。多种遗传、环境因素引起的脑发育异常(如自闭症),多于此年龄阶段累积并呈现症状。童年脑发育与功能的完善,不仅是人脑早期发展与重塑的基石,也是人生意义和价值判断形成的生理基础,是毕生幸福感的源泉。

长久以来,受到临床检查手段、家长与儿童配合度、神经影像模型构建方法等限制,人脑发育期的影像图谱研究多集中在6岁以后的年龄段,严重制约了人们对脑发育关键期的机制理解,也阻碍了基于影像技术对脑发育疾病的早期诊断体系的进展。因此,脑发育领域中始终缺乏“生长曲线”这一“度量衡”的构建,使得我们无法对儿童的脑发育状态实施“脑龄”、“脑发育得分“等精准评估。

天桥脑科学研究院(TCCI)研究员、上海交通大学医学院附属精神卫生中心杨志教授、袁逖飞教授与浙江大学医学院附属儿童医院的傅君芬教授、张洪锡主任及合作者基于近十年的儿童脑影像数据积累,联合发布了首个儿童1-6岁脑生长曲线模型,精细刻画了脑在发育黄金期的结构变化,发展了儿童的个体化发育状态评估方法。

研究团队首先系统描绘了脑主要组织(皮层体积、皮层厚度、脑白质体积、皮层下核团体积)随年龄的变化规律(图1),进一步针对各个脑区如扣带回、额叶皮层、杏仁核、海马等)实现精细分割并绘制图谱,阐明其动态变化规律(图2)。

图1. 大脑皮层厚度在发育期的动态变化

图2.不同脑区厚度与体积随年龄变化规律
 
进一步,研究团队致力于构建儿童脑生长曲线,以实施“个体化脑检查”与“脑发育得分”的评估。团队构建了总共90个脑形态特征的生长曲线模型,用于评估儿童的每个脑结构在同龄、同性别群体中的相对位置,即“脑发育得分”,从而显示某些脑结构的发育异常。团队结合“脑发育得分”和机器学习技术,准确识别了儿童的语言言语发展迟缓症状,准确率达87.5%(图3)。

图3. 儿童脑生长曲线图表(仅展示部分脑区)及识别脑发育异常的应用
 
这些研究为脑发育黄金期的个体化、精细化评估提供了标准化模型,也为多种脑发育疾病的早期识别、诊断与个性化评定提供了重要依据。“脑发育得分”的精准评估,是儿童脑科学研究的基础工具;不同脑区的个体化生长曲线,有助于揭示智力、情感、人格、幸福感、创造力等重要脑功能的发育模式,也为童年教育中的因材施教、个体化培养提供了新途径。

该研究于2022年4月14日在线发表在国际著名神经影像学期刊《NeuroImage》上(doi:10.1016/j.neuroimage.2022.119178)。杨志、袁逖飞、傅君芬为通讯作者,张洪锡和李嘉为第一作者。该研究受到了国家自然科学基金等项目资助。

论文信息:
Hongxi Zhang, Jia Li, Xiaoli Su, Yang Hu, Tianmei Liu, Shaoqing Ni, Haifeng Li, Xi-Nian Zuo, Junfen Fu, Ti-Fei Yuan, Zhi Yang, Growth charts of brain morphometry for preschool children,NeuroImage,2022,119178
具体图表展示:
http://phi-group.top/resources.html
复制网址、用浏览器打开,也可点击文末“阅读原文”直接跳转

21

2022-04

   

 

北京时间2022年3月28日,香港大学心理系、天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI)青年科学家耿海洋博士与多位学者受编委邀请,在Nature旗下心理学和行为科学顶级期刊Nature Human Behavior 发表题为“Promoting computational psychiatry in China”的评论文章。该评论文章系统总结了当前中国面临的精神健康问题,并详细阐述了计算精神病学这一新兴交叉学科在解决精神健康问题中的重要作用,以及计算精神病学在中国发展的机遇、挑战和行动。

    调查显示,我国成年人精神障碍的终身患病率为16.6%,儿童精神障碍的终身患病率为17.5%。以上海精神卫生中心为例,从2019年开始其年接诊量已经突破百万。相对庞大的病患群体,我国精神障碍医疗资源缺乏,每1万名患者仅对应于一名精神科医生。特别是新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来,我国的心理健康问题日益凸显,给经济社会带来巨大挑战和负担。    

    计算精神病学横跨计算神经科学、精神病学和心理学等多个学科。计算精神病学目前包含两个主要的研究取向。第一,数据驱动的计算精神病学通过使用数学模型或模式识别算法揭示精神障碍背后的神经生物学机制,启发疾病的分型诊断,风险预警,预后预测,协助临床诊疗和防治策略的制定。第二,理论驱动的计算精神病学充分利用当前基础神经科学的成果和理论,采用计算建模的方法,解析各类精神障碍人群认知加工缺陷的计算神经机制,为认知行为治疗和大脑干预疗法提供新的视角。

    本文指出,在中国开展计算精神病学的研究,相对于其他国家具有多方面优势。首先,中国具有相对完善的自上而下的医疗体系。从大城市的三甲医院到局部的社区医院,精神科医生的数量虽然较少,但是普遍经过良好的医学训练,临床经验丰富。完备的医疗体系在组建大队列收集大数据方面具有先天的优势。例如,上海精神中心目前已经积累了超过万例的单中心精神疾病脑影像数据。其次,中国的人工智能技术在结合了国内的大样本患者数据后,将会极大地推动计算精神病学的发展,并且会对全球的心理健康领域产生深远影响。在精神病学领域,通过人工智能来进行辅助诊断和干预治疗具有巨大前景。值得注意的是,有关心理健康的研究,绝大多数是基于西方发达国家患者的数据而建立的。将计算精神病学的研究扩展到中国患者,不仅可以丰富我们对于不同文化环境下精神疾病差异的理解,中国也可以作为一个范本,启发其他发展中国家应对精神健康问题。

    欧美国家已经充分认识到了计算精神病学的价值,美国西奈山医学院和德国马普所等研究机构已经建立了专门的计算精神病学研究中心。相比而言,我国相关研究起步较晚,本文指出中国国家心理健康和精神卫生防治中心的建立将会极大地促进了相关领域的发展。但是具体到计算精神病学,当前中国依然有亟待解决的几个关键挑战。首先,计算精神病学是一个理医工等多学科高度交叉的学科,但是当前临床医生的教育系统和理工科的教育系统彼此分离,不利于计算精神病学这样交叉学科人才的培养。为此,华人研究者做了一些初步的尝试,例如,组建了华人计算精神病学联盟(Chinese Computational Psychiatry Network, CCPN)(https://www.ccpn.site/),为青年学生学者提供教育和交流的平台。其次,我国的相关领域研究人员需加强和国际同行的交流,在国际学术舞台上扮演更重要和积极的角色。最后,具备条件的院校或者医院可以组建多学科交叉的研究中心,集合不同知识背景的研究人员。

    原文: Geng, H., Chen, J., Chuan-Peng, H., Jin, J., Chan, R C.K., Y. L., Hu, X., Zhang, R.Y., Zhang, L.. Promoting computational psychiatry in China. Nat Hum Behav (2022). https://doi.org/10.1038/s41562-022-01328-4

    香港大学心理系、天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI)青年科学家耿海洋博士为本文第一作者。上海交通大学心理与行为科学研究院和上海精神卫生中心的双聘副研究员张洳源博士和浙江大学心理与行为科学系特聘研究员陈骥博士为本文的共同通讯作者。南京师范大学胡传鹏教授,香港大学金婧雯助理教授,中国科学院心理研究所陈楚侨研究员、北京儿童医院李瑛博士、香港大学胡晓晴助理教授和维也纳大学张磊博士为本文的共同作者。

     本文得到国家自然科学基金,科技部国家重点研发计划,香港研究局科研基金,广东省科学技术基金,上海自然科学基金,上海浦江人才计划,上海市科技计划项目资助和中央高校基本科研业务费专项,江苏省研究和发展基金等项目的支持。

合作转载,请联系:耿海洋(miller.geng@gmail.com)

01

2022-04

 

 

2024年2月9日,正值中国龙年春节除夕,值此辞旧迎新之际,来自中国研究者的关于脑膜中动脉栓塞治疗慢性硬膜下血肿的MAGIC-MT研究结果,在美国2024世界卒中大会闭幕式上重磅发布,将慢性硬膜下血肿治疗带入新时代。

 

 

应用液体栓塞材料治疗非急性硬膜下血肿:一项在中国开展的脑膜中动脉栓塞术随机对照研究(Managing non-Acute subdural hematoma usinG liquid materials:a Chinese randomized trial of MMA Treatment)。

 

复旦大学附属华山医院院长、天桥脑科学研究院转化中心(Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Translational Research)主任毛颖代表全体研究者发布研究结果

复旦大学附属华山医院和海军军医大学第一附属医院研究者代表参加研究结果发布(从左至右依次为:倪伟教授、毛颖教授、顾宇翔教授、张永巍教授)

 

研究团队

MAGIC-MT研究由复旦大学附属华山医院和海军军医大学第一附属医院(“长海医院”)共同牵头,华山医院神经外科教授、天桥脑科学研究院转化中心主任毛颖和长海医院脑血管病中心刘建民教授担任共同主PI,联合国内31家中心,历时3年完成,是目前国际上关于评价脑膜中动脉栓塞治疗慢性或非急性硬膜下血肿的最大样本量RCT研究。

 

复旦大学附属华山医院神经外科教授、天桥脑科学研究院转化中心主任毛颖和海军军医大学第一附属医院脑血管病中心刘建民教授

MAGIC-MT研究31家参研中心PI

 

研究背景和设计

慢性硬膜下血肿是神经外科最常见的疾病之一,常见于中老年人。传统治疗包括以阿托伐他汀为代表的药物治疗和以钻孔引流术为代表的手术治疗,但传统治疗血肿进展率和复发率高达10%-30%,是临床面临的重大问题。

 

慢性硬膜下血肿在CT上表现为典型的“新月形”血肿

近年来,不断有研究提出通过栓塞脑膜中动脉阻断慢性硬膜下血肿包膜的血供,可以防止血肿的扩大或复发,使慢性硬膜下血肿的治疗理念获得了革命性的突破。但脑膜中动脉栓塞这一新的治疗方法,尚未得到高级别证据支持。

MAGIC-MT研究是一项研究者发起的多中心随机对照试验,采用优效设计,比较脑膜中动脉栓塞术和传统治疗方法治疗症状性非急性硬膜下血肿的疗效。主要终点是90天血肿进展/复发率或全因死亡率。

 

研究结果

研究入组患者722例,其中脑膜中动脉栓塞组360例,传统治疗组362例。脑膜中动脉栓塞组和传统治疗组的主要终点事件发生率分别为7.2%(26/360)和12.2%(44/362),率差为-4.93%(95%可信区间 [-9.37, -0.63],P=0.02)。证实了脑膜中动脉栓塞术可以显著降低症状性非急性硬膜下血肿的进展/复发率或全因死亡率。

 

MAGIC-MT研究主要结果

 

EMBOLISE和STEM研究结果

在本次国际卒中大会闭幕式上,还有另外2项关于脑膜中动脉栓塞治疗慢性硬膜下血肿的类似研究(EMBOLISE和STEM)同期发布了研究结果。

EMBOLISE研究在美国39家中心开展,共入组400例患者,随机接受脑膜中动脉栓塞术联合外科手术或单纯外科手术,主要终点为90天的血肿进展/复发且需要再手术的比例。结果显示,脑膜中动脉栓塞组和单纯手术组的主要终点事件发生率分别为4.1%和11.3%(P=0.0081)。单纯外科手术组血肿进展/复发且需要再手术的比例是脑膜中动脉栓塞联合外科手术组的近3倍。

 

EMBOLISE研究主要结果

 

STEM研究设计与MAGIC-MT类似,在美国、法国、德国和西班牙共32家中心开展,共入组310例患者,其中脑膜中动脉栓塞组149例,传统治疗组161例。主要终点是180天治疗失败率,包括①残余血肿最大厚度超过10mm,②再手术,③新发致残性卒中、心肌梗死和神经功能障碍引起的死亡。脑膜中动脉栓塞组和标准治疗组的主要终点事件发生率分别为15.2%和39.2%(P=0.0001)。研究得出了相似的结果,即脑膜中动脉栓塞术可以显著降低180天内的血肿治疗失败率。

 

STEM研究主要结果

 

研究意义

MAGIC-MT、EMBOLISE和STEM三项研究结果在2024国际卒中大会同期发布,且均获得阳性结果,在国际上首次证实了“对于非急性硬膜下血肿患者,相较于传统治疗方法,脑膜中动脉栓塞术能够显著降低血肿的进展/复发率”,为脑膜中动脉栓塞治疗非急性硬膜下血肿提供了高级别证据支持。同时针对神经外科这一重大临床问题,作为全球最大样本量的RCT研究,MAGIC-MT再次向国际同道提供了中国数据和中国答案。

 

欧洲微创神经治疗协会(ESMINT)前任主席Jens Fiehler教授对MAGIC-MT研究结果给予高度评价

2024国际卒中大会现场

 

22

2022-02

中枢神经系统(CNS)主要由神经元和胶质细胞组成。神经元执行神经信号的传递和整合功能,而胶质细胞起重要的支撑和营养作用。与外周组织器官不同,成年后哺乳动物中枢神经系统的神经元几乎不能再生。在神经退行性病变中,如阿尔兹海默病和帕金森病,神经元会大量死亡,死亡的神经元无法再生,从而造成不可逆的严重脑功能损伤。与静态的神经元不同,胶质细胞具有一定的再生能力。

此前的研究通过操控单个基因,诱导胶质细胞发生重编程(reprogramming)或转分化(conversion),使其分化成神经元。该思路可利用一类可再生的细胞(胶质细胞)补充损失的不可再生的细胞(神经元),实现神经元的原位再生(in situ regeneration),从而治疗神经退行性病变。2002年,德国马克斯·普朗克神经生物学研究所报告了PAX6可诱导星形胶质细胞重编程为神经元。虽然星形胶质细胞能够再生,但是其再生能力较弱,因此研究人员在持续探索能否通过诱导其他再生能力强的胶质细胞,将其重编程为神经元。

2018年,复旦大学彭勃教授团队与TCCI研究员、上海精神卫生中心袁逖飞教授、饶艳霞博士合作,发现小胶质细胞是脑内增殖最快的细胞类型,在基本完全清除后可以迅速再殖并恢复正常功能。这些发现为脑疾病的治疗提出了全新的思路:能否通过小胶质细胞作为细胞载体,对脑功能实施操纵以干预神经精神疾病?在此过程中,一个迫切需要回答的问题是细胞载体功能的稳定性。

2019年,来自日本的Kinichi Nakashima研究团队发现通过慢病毒异源性表达NeuroD1,可诱导小胶质细胞重编程为神经元。然后,对胶质细胞进行转分化的可行性以及功能性存在争议,比如有对NeuroD1介导的星形胶质细胞-神经元重编程是否是实验假象的质疑。

2021年12月,上海市精神卫生中心的饶艳霞博士与天桥脑科学研究院(TCCI)转化中心主任、华山医院院长毛颖教授团队、复旦大学彭勃教授团队以及TCCI研究员、上海精神卫生中心袁逖飞教授团队展开联合攻关,在神经科学领域顶级期刊Neuron上发表了题为  NeuroD1 induces microglial apoptosis and cannot induce microglia-to-neuron cross-lineage reprogramming的文章。

 

 

▷ NeuroD1诱导小胶质细胞凋亡但不能诱导小胶质细胞到神经元跨谱系重编程,图片来源:Shiqin Ting and Bo Peng

 

研究人员利用活细胞成像、谱系追踪和药理学等多个手段对NeuroD1介导的小胶质细胞-神经元重编程现象进行了系统性探索。他们严谨地证明了NeuroD1不具备将小胶质细胞转分化为神经元的能力。

该研究对领域内现有的种种质疑做出了严谨的求证,并为胶质细胞-神经元重编程研究提出三个基本原则:(1)通过严谨和明确的谱系追踪,设置合理设计的对照组证明,并排除存在病毒泄漏的可能性;(2)通过明确的活体/活细胞成像证据,观察到胶质细胞转分化的递进转变过程;(3)通过操纵相关类型的胶质细胞,那么该因子所介导的细胞类型转分化将不会发生。本研究的研究成果为精准操纵小胶质细胞以干预神经精神疾病提供了重要的实验证据和理论支持。

该团队发现日本团队报道的NeuroD1介导小胶质细胞-神经元的重编程并非真实现象,而是由于实验设计不严谨所引起的假象。这种由于病毒非特异性泄露等原因造成的实验假象在相关研究领域内较常发生。鉴于此,该研究最重要之处在于提出验证/证实胶质细胞-神经元转分化所需满足的三个基本原则,在此基础上对内源性神经再生现象去伪存真。

上海市精神卫生中心饶艳霞博士为该论文的第一作者和共同通讯作者。复旦大学脑科学转化研究院彭勃教授、TCCI转化中心主任、华山医院院长毛颖教授和TCCI研究员、上海精神卫生中心袁逖飞教授为本文的共同通讯作者。该团队多人为此研究作出贡献。

10

2021-12

 

近日,天桥脑科学研究院(TCCI)研究员黄延焱教授作为作者之一,在国际老年病学期刊BMC Geriatrics 发文,揭示在上海社区老年人群体中体育活动的模式与抑郁症的关系,显示体育活动的数量和模式都与社区老年居民的抑郁症状有关。该研究得到了TCCI支持。

本研究运用潜在类别分析,探索了社区老年人的身体活动类型,并检验身体活动类型、活动量和抑郁的关联。基于对上海市闵行区2525名社区老年人的调查分析,共生成4种社区老年人身体活动类型:“家务型”、“体育运动型”、“园艺或照顾者型”、以及“步行者型”,身体活动类型和活动量均与抑郁症状显著相关。宏观层面的干预应该鼓励社区居住的老年人增加体育活动的数量以减少抑郁症的风险。

15

2021-11

 

# 追问按

宇宙之于人类,是亘久运行的谜,而人类自身的“三磅小宇宙”——大脑,也让无数科学家为之倾倒。层出不穷的研究让我们一步步接近真实,也让我们愈发困惑。由此,追问公众号推出全新栏目“追问顶刊”,我们聚焦公众瞩目的发布在Science和Nature等期刊的重磅研究,我们与研究的主导者进行深入对话,我们与您一起聆听他们对于研究的解读。

在第一期“追问顶刊”中,我们与读者一起追问了Krishna Shenoy教授,Shenoy教授同我们详细探讨了他的团队发表在《自然》刊物的重磅研究《通过手写实现高效大脑-文本沟通》(High-performance brain-to-text communication via handwriting)。以下为具体内容,欢迎阅读。

Krishna Shenoy

霍华德休斯医学研究所 ( HHMI )研究员,神经假肢系统实验室 ( NPSL )主任,Hong Seh 和 Vivian WM Lim 工程学教授,神经假肢转化实验室(NPTL)联合主任

Shenoy教授领导斯坦福大学的神经假肢系统实验室(NPSL),其团队主要从事神经科学及神经工程研究,通过对大脑运动控制系统的解码,设计医疗装备帮助存在运动障碍的人群。同时Shenoy教授也与神经外科医学博士 Jaimie Henderson 共同领导神经假肢转化实验室(NPTL;2009 年成立),申请用于瘫痪患者的脑机接口的FDA临床试验。

本文由TCCI追问团队呈现

问题筹备:Aaron

采访:Jiahui

翻译:Nevaeh,张旭晖

整理&审校:Vicky

编辑:lixia,Jiahui,EY

Q

让我们先从简单的问题开始吧,能否请您向读者们简要介绍您的研究领域?

Shenoy:没问题。我们正在尝试帮助那些无法行动不能动或者无法交流的人群。他们往往患有神经损伤或神经疾病,例如脊髓损伤、肌萎缩性脊髓侧索硬化症(渐冻人症)或者中风。为了帮助这些人,我们能做的就是通过研究大脑和其中数百亿个神经元,以及这些神经元是如何控制那些能产生正常行为的神经活动的

如果我们可以发现并解码这些神经信号,并将这种大脑的语言翻译出来,那么我们就能移动机械臂、控制电脑屏幕上的光标,或者用书面文本来帮助那些无法交流的人群。

这项工作既包含了神经科学,又与神经工程学相关,像是电子工程、计算机科学和机器学习。还有很大一部分,就是转化——我们正努力让科研成果造福大众。为了让这项技术能真正帮到大众,一般来说,必须要通过一家甚至好几家公司。所以,我们也在试着帮助一些公司,让他们可以做出真正可使用的系统,希望不久后,数万人甚至数百万人,可以用上这些系统。

Q

我们今天的采访尤其关注您的团队近期在《自然》期刊上发表的《通过手写实现高效大脑-文本沟通》(High-performance brain-to-text communication via handwriting)一文,可以简要介绍一下这篇论文吗?

Shenoy:当然。我们从小就学着如何在纸上书写,我想这几年纸张已经变成了平板电脑,但书写的本质并未改变,它是一种非常棒的沟通方式。当然,讲话这一方式也很妙,但是书写这么好的沟通方式,却从没有人想过了解人脑是怎么控制它的。

所以,我们就提出了这一问题。我们招募了可以说话却无法移动上肢的受试者,他们的胳膊一直处于绝对静止的状态。接着,我们要求受试者尽可能尝试写下所有的英文字母。字符种类那么多,包括日文汉字、梵文和中文字等,但我们选择了英文。很有趣的是,我们发现,在受试者书写英文字母时,我们能很快且正确地解读与之相关的神经活动,受试者在想要书写的一瞬间,屏幕上就出现了字母。因此,这个系统为受试者们提供了一个与世界沟通的新方式。我们还打算针对其他语言和不同的疾病状态继续研究,希望能让这个系统速度更快,也更准确。

 

▷ Nature 封面

Volume 593 Issue 7858, 13 May 2021

 

Q

我们从年轻科学家以及其他对该研究感兴趣的学者那里征集了一些问题。第一个问题是这个系统可以持续多久?它能长期、稳定地输入文本吗?

Shenoy:是的,这是个非常好的问题。系统的可使用生命周期非常重要,因为安装这个系统需要进行外科手术。手术过程中,我们把一个小拇指指甲大小的电极传感器植入大脑表层,深度大约是大脑表层下方一毫米处。但这仍然是一种侵入式手术,确实存在着风险,千万不要在家中尝试。如今,很多人不想做手术,我们需要其他系统来解决这个问题。当然有一些不做手术就能使用的系统,但是它们往往速度更慢,错误也会更多。我们选择了植入传感器的方式,所以您的问题实际上是问这些传感器可以持续工作多久?在这个问题上,我们其实是消费者的角色。我们其实是从一家公司购入这些4×4平方毫米大小的电极阵列和100个硅电极的,用的也是人们日常使用的计算机芯片技术。所以,我想表明我们并不从中获益,这些传感器并非我们制造,我们与之没有利益冲突。我们可以用它们记录至少5年的信号,或许更久。但通常我们的受试者在使用了5年后,会倾向于说:“要不还是把传感器取出来吧,我的日常生活开始变得有点儿更费劲了,我不想再继续参与研究了。”

Q

用了5年传感器以后,体验会有什么不一样吗?

Shenoy:取出传感器后,他们没法再使用系统。使用年限能否超过5年是个很有趣的问题,我们认为它是可以的。重点是如何让电极变得更好、更小、更灵活,更持久,而这些都需要大量的工程科学技术突破。有许多研究团队正在做这方面的研究,这很重要,我们也很乐意与他们合作,试用他们的系统。

Q

明白了。我们的一位读者对文本识别很感兴趣,他提出了下面这个问题。在输入文本时,系统如何提高文本识别的准确性?是否需要更高通量的数据处理?还是算法会自动补偿?

Shenoy:在我看来,回答这一问题的关键之处在于,受试者们每天都会使用系统,我们获取那些数据,并将它们上传到电脑中。

有了这些数据,我们可以训练新的神经网络模型、机器学习模型,系统也可以通过这种方式不断优化。因为你已经知道,当人们试图写“a”、“b”、“c”时,神经活动会作何反应,在这一基础上,系统每天都在学习更多的数据。到了某个时刻,也许是一到两周后,不再像之前那样有许多的新数据,因为所有能学习的东西都已经在系统里了。

这时会发生一件事,而受试者们自己甚至都不知道这件事正在发生。神经活动开始发生改变,是非常轻微的改动,我们称之为“可塑性”(plasticity),它让系统运行得甚至更好。这有点像我们学习打网球,也许能击中网球,也许会犯错,但随着日复一日、年复一年地练习,你的水平会逐渐提高。这种练习效应(practice effect)之所以发生,就是因为大脑在同时改进对躯体的控制。同样地,大脑也会慢慢改进对翻译文本的机器学习算法的控制。我认为有两个关键点:有了更多的数据,你就能更好地解码;以及,人们使用这个系统越久,即使他们没有觉察,他们的大脑也能逐渐适应

Q

是不是可以说练习效应在这里起到了最重要的作用?

Shenoy:是的,我认为在刚开始的1-2周里,输入尽可能多的数据,建立起解码模型,是最重要的。但你说得非常对,两周过后,练习效应就是最重要的了。

Q

下一个问题比较笼统,请问如何才能扩展输入功能,比如编辑、删除等,以及如何扩充字符集,收录更多的语言,像是中文或者是大写字母等。

Shenoy:是的,这个问题很棒,对此我有两个答案。首先,在论文中,我们展示了输入26个英文字母和5个特殊字符,像是逗号、问号这种。但我们并不知道如何解码大写字母之类的字符,因为这个系统可以起作用已经出乎我们的意料,尤其是可以解码非常精细的手指活动。即便是只能输入基础字符,为了达到我们想要的性能,光是完成第一个试验就已经投入了非常多的精力。

所以,第一个问题是,现在它也许能输入更多的字符。我们还不知道,但不妨这样说,由于系统还没有尝试更多字符,所以我不知道,而我也不想直接假设它可以做到。好,接下来我们说说中文字符。当你想写汉字时,一定会遇到两个问题,对吧?第一,汉字的细节太多了,英文字母很简单,超级简单,“a”、“b”、“c”就行了。汉字却很精细,所以要难得多。不过,由于我们是从控制笔移动的脑区收集信号,应该可以解码、采集那些精巧的汉字线条,只是我们的了解还不够多。

Q

我们得解码不同语言的特点。

Shenoy:没错。所以我们需要做些什么,如何做,是个很好的问题。我们正在试着让受试者写下某种语言里的单个字符,同时记录他的神经数据。我们会让他们把同一个字符写很多遍,但不是在同一行全写同一个字符,而是在里面间隔插入其他字符,像是随机地让他写另一个字符,直到电脑将书写每个字符的神经数据都保存下来。然后,我们会训练机器学习算法,在1秒种内把那个字符准确地识别出来,接下来就可以解码了。所以,就汉字而言,一方面汉字太精细了,还有一个问题是,中文字符真的太多了。请见谅,这个答案我应该知道才是。粗略来说,中文里有多少个汉字?普通话和粤语是一样的,对吧?汉字总数应该一样?

Q

其实,我也不太确定,但我猜大概有数千个?常见字可能有数千个。

Shenoy:是的,我试过搞清楚这个问题,因为我对它很好奇。我妻子是越南人,她写越南语会用到五种声调。我有一个亲戚是中国人,我也问过他,但没想到会有上千个这么多。

Q

没错,但每种语言肯定都会有些特点,我想未来人们可以解码全世界的语言。

Shenoy:肯定可以做到的。比如印度的梵语,我父亲对它很熟悉,总共有52个字符,也很复杂。简单来说,首先,每个字符都有精妙的特征,第二点,字符数太多导致难度更大。所以,我们并不知道可以做到哪一步,但的确存在解决方法。而这一方法正是你们刚刚提出的问题。我们需要更高的带宽吗?需要更多信息吗?是的,我们确实需要这些,还需要更多的电极。每当我们往大脑中放入一个电极,我们就记录了来自一个或者几个神经元的信号。所以,如果有足够多的神经元,也许是1000个,而非200,那么我想应该可以解决问题。为什么我这么自信?原因是我们可以写下所有的字符。我不会写中文,但是你(指采访者)可以做到,你写得又快又好看,所以你的大脑知道该怎么做。那么,我们只需要从足够多的脑细胞那儿,监听到足够多的神经活动,这一点是可能做到的。不过具体需要多少神经元,只有时间会给出答案了。很抱歉我回答了这么多,这样解释可以帮助读者理解吗?

Q

非常有帮助。但我也有个问题:怎么区分那些相似的字符,比如“2”和“z”?英文的曲线也许能轻松区分出来,但我想其他语言则不尽然。

Shenoy:没错,你说得太对了。例如,我们在论文中举的例子,就是字母 “h”,它有一个长竖,而“Nancy”中的“n”与“h”的差别是,“n”第一笔是短竖。有时候,就连我们也会搞混,因为它俩真的很相似。在书写的时候,二者也很像。当然,大部分时候我们都会写对,但当出现错误时,往往就是混淆了那些看起来相似的字母。

Q

我们能做些什么来改进呢?

Shenoy:我们可以使用另一种机器学习,它熟悉不同字符之间存在的各种可能性。有许多示例,论文里我们用了“the”这个词来解释,当我们写下这个词时,有时候会认为它是“tne”,对吧?但并不存在“tne”这个词,只有“the”。

如果你使用所有现存语言的机器学习,或者说语言模型,包括英文、中文、梵文等,当前面一个字母是“t”时,跟在它后面的字母更可能是“h”,而不是“n”。所以你写下“t”“n”“e”后,继续写下一个词,系统可以自动识别这里存在拼写错误。那我就会把“n”改成“h”,变成词语“the”。这是不是很像在电脑上打字?电脑会自动纠正,这里的原理相同,自动纠正的数据库也一样。

通常我们更关注的是,当系统不带有自动纠正或者自动填充功能时,它还能不能很好地发挥作用,这样我们就能知道,它在没有辅助功能的情况下效果如何。但我们是可以开启辅助功能的。你看,所有系统都有辅助功能,谷歌、阿里巴巴,每个系统都有。你打字的同时,系统就会自动纠正,或者是自动填充。对我来说,纠正的情况更多。我有一台iPhone,它并没有多好用,可是,当字母之间的差异非常小,甚至难以区分时,手机仍然可以帮我输入地更准确。无论你在大脑里放了多少个电极,这些电极运转地多么好,总是会出现错误。而我刚刚说的那些,就可以很好地改善这种情况。

Q

感谢您的回答。下一个问题更像是对下一阶段研究的提问。您的团队已经达到每分钟拼写90个字符的速度。这已经很令人惊叹,不过说话往往比打字快得多,理解大脑如何编码语音又非常难。您有解决这一问题的打算吗?还是说,这正是您下一阶段的研究?我们对此非常好奇。

Shenoy:是的,那正是我们下一步打算做的。我们认为关于书写,还有许多可以挖掘的地方,而且书写本身是一个很有趣的话题。但是你刚刚说的很对,当我们说话时,两个人沟通起来会更快。现在的情况是怎样呢?加州大学旧金山分校的Edward Chang跟我认识很久了,我们是好朋友,也有合作,住处也离得很近。他正在做一项非常棒也非常重要的研究,用脑皮层电图(ECoG)记录大脑表层的信号。在他最新一篇发表在《新英格兰医学杂志》的论文中,他们做了一个包含50个词语的词汇集,受试者在其中任意选择一个,解码准确率可以达到75%。这项工作非常棒,但也让大家看到了局限性。

那为什么会存在这些局限呢?因为记录信号的大电极位于大脑表层。通过一台外科手术,把电极放到大脑表层,可是它并没有听到单个神经元的活动,它做不到只记录单个神经元的电活动。打个比方,假设在一个足球场里,看台上有十万个观众,而我坐在直升飞机上,从空中往下悬吊一个麦克风,位置要高过看台的观众们,我只能根据听不听得到吼叫,来判断主场球队是否进球。

但如果我可以把麦克风放得更低,那么我就能听到更多的对话。在这个比喻中,我就是神经元。而单个神经元就是记录、聆听、衡量的最佳对象。

▷ Edward Chang团队的研究

Neuroprosthesis for Decoding Speech in a Paralyzed Person with Anarthria,DOI: 10.1056/NEJMoa2027540

 

Q

这是否意味着,在解码时存在许多噪音?

Shenoy:不,噪音更少。其实你基本说对了。如果我只记录一个神经元的信号,确实有许多噪音。但是如果我用前面提到的电极阵列记录100个神经元的信号,那么你就有1个麦克风靠近你和其他100个人。即使有些许噪音,你也能得到很强的信息集,里面有非常多的信息。把麦克风悬在所有人头顶上方的问题是,会让大家的声音相互减弱,你听不到某一个对话,或者只能听到人们说话声音的大小,仅此而已。这样,你就没办法听懂我们之间对话的内容。我想说明的是,把电极放到大脑内部,这样电极尖端会靠近单个神经元细胞,你可以记录到更多信息,我想所有人都会同意这点,它就是这样工作的。我们已经发表了两三篇论文,来阐述已完成的实验,那就是我们第一次弄明白大脑、单个神经元如何控制讲话。接下来,我们打算在受试者大脑的语言区植入电极,以建立起可以听到电活动并解码的系统,用这个系统真正创建语音、合成声音或者在屏幕上打字,你可以选择任一方式。这就是我们接下来的研究方向,虽然还没有正式开始,但国立卫生研究院(National Institute of Health, NIH)和其他联邦拨款将会用于这个用途,我们的团队也正在准备,想快一点得到结果。现在说回Edward Chang,他和我一致认为,我俩的研究方法应该合在一起,同时使用两个方法,而不是选择哪一个方法更好。他的研究方法可以覆盖一半大脑,因为电极位于表面,覆盖面积更大。我们的方法则是深入某一个区域,希望是能记录到许多单个神经元的最佳区域。所以,在我看来,研究前景就是将二者结合起来。

Q

我们非常期待看到这两项研究问世。接下来让我们回到与识别准确性提升有关的打字研究,是否有可能实现几乎实时的思维-文本对话呢?是否有可能同步对话速度与思维速度呢?

Shenoy:非常好的问题。所以,这实际上是两个问题。首先,我们能要求一个人尝试或想象手吗?请记住,他们的手是无法移动的、瘫痪的。那么,我们能要求他们尽可能快速地书写、尽可能快速地尝试书写并且实时进行解码吗?是的,我们可以做到。这一点我们实际上已经在《自然》期刊上的论文中展示过了。

当下,要知道思维是什么还有些困难,因为没有人真的知道思维是什么。但是,我们通常认为思维是以语言的形式表达出来的。如果我问你,你是怎么思考的?也许你会说,我用语言思考,我用句子思考,诸如此类。所以也许我可以自我纠正,但是我认为可能你的意思是我们是否能像思考语言一样尽可能快速地解码。在此,我想我们还不知道这个问题的答案,我们还没这么干过,但我相信答案会是肯定的,因为说话和书写非常相似。想想什么是书写?书写是非常准确地、迅速地活动不同的肌肉,说话则是非常快速地活动不同的肌肉、你的声带、口腔和嘴唇。

所以,我们在书写方面展示的所有数学、机器学习的内容都应该适用于说话。并且,我想大多数人也会认同。但我们必须证明这一点。在我们能够真正证明它之前,我不相信任何事。因为有时候你可能会出错,对吧?我想,对于有些人来说,当他们认为自己能够在脑海中描绘出这些词语时,但实际上他们很难做到。这是对的,我想有一些很罕见的案例,一小部分人可能是以绘画或颜色或事物的形式进行思考,但我想我们大多数人,比如我自己,是以语言来思考的。所以以上就是我的回答,虽然我们不知道,但这在神经科学中是非常有趣的,非常基础的脑科学。

Q

沿着这个问题,就像我们能够把文本信号传输给大脑,我们是否能够连接两个人的脑机接口让他们能彼此交流呢?

Shenoy:有人问到这个问题很正常。首先,我不知道,但这是个很有趣的问题。所以,让我们一起来想想。如果我正在思考词语,我认为我能阅读、提取、解码它们,也能以一定速度说出这些词语。那么,你的问题的第二个部分是,因为你会认为你能够听到或想到我的想法,那么我能够电刺激你的大脑神经元吗?从科学的角度来看,我认为我们还不知道这是否可能。但如果是可能的,那我们应该会有一种电子的、无线的方式彼此交流。我确实认为有可能,随着时间的推移,可能是1年、5年或者20年,我不知道。但我的确相信,我们大脑里的一切、精神生活的一切都是单个神经元的活动,所以应该是有可能的。某一天,我的大脑里会有一个小小的电脑芯片,向你的脑袋发送无线电信号,它刺激你的大脑,然后再反过来给我发送信号刺激我的大脑。你和我可以通过这样的方式交流,却不需要说任何话。

Q

接下来我有一个问题,如果我完全不懂英语,那么您要如何理解我的意思呢?

Shenoy:你是对的,这是一个很好的角度,因为我们也不知道,这取决于英语是我们的第一语言、第二语言还是第三语言,以及它在大脑中如何表征。我认为这些问题都很吸引人。你可能是正确的。如果我们交流,你说,嘿,Krishna,你一定懂普通话吧。然后你在我的大脑里植入一个芯片,开始输入普通话,我可能会说:我根本不懂普通话。

Q

或许一种解决方案是在通路中间放上一个翻译器?

Shenoy:是的,所以我认为,当我们想到这些技术可以帮助残疾人时,这实际上引出了一个非常有意思的问题。我们正在做的也在推动科学发展,它促使我们对大脑提出新的有趣的问题,如果我们不思考如何利用这些信息,有些问题可能就不会被问到,就像这场关于语言和其他问题的对话。我也不知道,这不像是基础的神经科学研究者,我们必须像你和观众一样思考这个问题。

Q

但如果它们能连接每个人的大脑,那真的是有趣的想法,当然,也很可怕。

Shenoy:是的,所以伦理(什么是对的、什么是错的)是很重要的。你说得真的很对,我们所有人都在担忧自己在手机上花了多少时间,我们在手机、电脑和互联网上都在干些什么。但如果它真的就在你的大脑里,真的很可怕。所以,我自己非常谨慎保守,因为我不想无意中伤害任何人,我的一生都在努力尝试从医学角度帮助有需要的人们。并且,就像在科学和工程领域一样,你可以用不同的方式来使用它,但事实上可能不会帮到人们,就这点而言,我必须时刻保持谨慎。

Q

说到临床使用,另一个问题是,您预计脑机接口需要多长时间才能准备好用于临床使用?未来你们将面对的挑战是什么?

Shenoy:脑机接口的临床应用是个非常有趣的问题。当下,从已有论文来看,一小部分人拥有临床的脑机接口系统,在中国至少有1~2个人,美国很少。这个数字非常小,但是有人在做所谓的临床试验,安全性测试和其他各个方面的相关试验非常少。

但如果我们考虑临床使用,我认为你想说的可能是,如果我脖子受伤了,身体不能动了,我能不能直接去一家大医院(可能不是距离最近的医院),也许在北京或某个地方,然后作为常规健康护理的一部分完成手术?我希望如此,所以这也只是推测,我不知道,但我希望只需要再过10年我们就可以实现这一切。对于不知道的问题,人们总会给出10年这样的答案。

但为什么我说10年呢?我自己其实也很惊讶,大概是因为现在有许多公司开始对脑机接口很感兴趣,如果公司有成百上千名员工能为此全职工作,这就是我所说的10年的含义。好比我的研究组有10人,只有10人,我们只是构思想法,让公司来实际践行我们的想法,得出的成果之后能帮到数以千计的人。但这些公司现在正在起步阶段,制造电极的黑石微系统(Blockrock microsystems),还有一些中国或者欧洲的企业,美国埃隆·马斯克(Elon Musk)创办的Neuralink公司等等。

脑机接口开始受到关注并获得了大量资金和人力支持,这一事实让我变得更加乐观。不过,也有可能会全面失败,我不知道。但我想,因为许许多多的人们真的在遭受痛苦,我们努力尝试总归是件好事。许多人真的需要像脑机接口这样的系统。

Q

所以我想10年是一个乐观的猜测。

Shenoy:我猜这也太乐观了,我是这么认为的。但如果5年前你问我同样的问题,我想我会说20或30年,改变这一切的是数亿美元以及成千上万为此努力付出的人,这真的让我很惊讶也很开心。因为我认为只要每个在这个领域工作的人能各尽其才,我的意思是,显然有很多人致力于这个领域,包括(在加州理工学院建立天桥脑科学研究院的)陈天桥、雒芊芊夫妇,还有加州理工学院的理查德·安德森(Richard Anderson)。我曾在安德森门下接受训练,最开始做神经义肢时我和他一同工作,1995年到2001年间,我是他负责培训的博士后。陈氏夫妇在加州理工学院所做的一切都非常了不起。

 

▷ 天桥脑科学研究院(TCCI)在加州理工学院建成的科研大楼

 

Q

我们也收集了一些科学家们的问题,他们对于数据非常好奇,您的团队有可能向公众分享原始数据吗?也会包含原始的电生理数据吗?

Shenoy:这是个很好的问题,答案是“是的”。我们已经向大家分享了,但让我再多解释一点。在处理人类神经数据时,人们必须对于隐私性非常谨慎,所以,我们耗费了2年时间确保我们已经考虑过每一种不同的方法来保护我们的受试者。我们找到了一种好方法,我想每个人都会为此感到开心。当然,在论文中你可能没有注意到,但它在论文很底部的位置,如果你想要获取这篇论文中提到或没有提到的所有神经数据,你可以去Dryad数据库下载,它向公众开放。你现在就可以下载全部数据,还有python代码,用于展示如何一步步完成机器学习的所有步骤。我们花了很长时间做这件事,这些代码数据就存储在GitHub网站上——读者们可能对此很熟悉。所以,据我们所知,这是第一次有一项人类研究公布了论文所有的数据和代码。我们收到了许多非常积极的反馈,因为我们的目标是让相关研究加速推进。我们想要帮助人们,我们想要帮助机器学习专家做得更好,我们想要帮助其他研究组,让他们知道要记录什么。出于这些原因,我们做了这件不寻常的事情,这是前所未有的。

Q

我想,所有的科学家,包括在中国的科学家,他们应该会感激你们开放的态度。

Shenoy:那太好了。我们认为我们会一直这样做,除了人们的隐私很难确保,我们很难确保科学家们也在保护他们的隐私。因为也许有人看到了神经信号,然后发现某个人得了别的病或类似的病。但某种程度上,这个风险很低,好处却很大。能用这个做点什么呢?这些数据非常重要也很有意义。最后我们的受试者也授权了数据开放。我们解释了我们认为应该做的一切,受试者也理解了我们的意图,在反复询问之后我们得到的依然是肯定的答复,受试者最终签字同意。所以,受试者知道这是最重要的事情。老实讲,我们非常高兴,我们花了很多时间,我们没有因此获得任何嘉奖。但是没关系,我们不在乎荣誉,我们只是希望这些数据能够帮助到别人。

Q

接下来的问题来自于一位工程师,他比较关心这项研究的硬件问题。他想问的是,你们下一步打算如何改进当前硬件?包括准确性、速度、效率、大大降低侵入性以及让设备使用起来更加简易。

Shenoy:这个问题非常好。硬件实际意味着两件事。其一是植入大脑的电极,其二是基于植入电极的所有电脑系统和连接器。虽然我们研究组不制造电极,但我们做的和这两件事息息相关。首先,我们所做的与神经像素紧密相关,这是霍华德休斯医学院(Howard Hughes Medical Institute)和比利时微电子研究中心(Interuniversity Microelectronics Center, IMEC)的合作成果,他们用数百个微电极来制造电极,我们现在已经在动物模型上使用了这些产品,我们也已经发表了第一篇论文的预印本,目前有本期刊正在审稿。我们也在人类身上使用了这些产品,因此我们能记录下3倍多的神经元活动。

第二个问题是大脑外的硬件?目前,患者头顶上会有一个小连接器,你们可能在视频中看到过,我们必须去掉它。它穿透了皮肤,是安全的,但我们不得不留下它,当然,它看起来不太好看,人们不太喜欢。所以我们需要的是较小的蓝牙无线发射器,或者可能不是蓝牙的而是无线的发射器。我们目前研究的还是侵入式的,我的意思是它仍然需要被植入到皮肤下方,大约深入到大脑表层下方1毫米或0.5毫米的位置。除此之外,我们没有其他的研究方法,因为我们不知道还有任何其他方法能记录或测量单个神经元。现在,有些出色的研究组在研究用于皮肤表面的电极,也就是EEG,这确实也很有效,但它们每秒从大脑获取的信息并不多,比如Jonathan Wolpaw在纽约的研究组等等都是采用这种方式。所以,我们不是在研究非侵入性的方法,而是低侵入性的方法。

Q

我们还有一些关于您个人兴趣的问题。除了脑机接口,您还对神经科学的其它领域感兴趣吗?

Shenoy:当然,脑机接口只是我们研究内容的一半,另一半非常相关但并不相同,是纯粹的基础科学。我们非常感兴趣的是,大脑如何控制运动?它是如何学习运动的?它是如何适应运动、手臂运动和决策的?你是如何做决策的?以及你如何理解和解释这些决定等等。之所以我说这个部分与脑机接口不同,是因为脑机接口是一种应用,对吧?它是我们如何运用科学知识、通过工程学来帮助人们的体现,而我现在提到的是纯粹的基础科学。比如,许多神经元如何一起工作来表征信息、计算信息、控制等等,这是我们的基础科学研究,我们致力于相关研究已有20年之久了。

Q

未来5~10年内您的研究目标是?在这个领域您的终生目标又是什么呢?

Shenoy:我认为在高层次目标方面,实际上有三个,我先说前面两个,因为第三个是顺其自然的。一个是帮助残疾人,帮助无法行动的人们,这是一个非常清晰的目标。我的第二个非常强烈的愿望是培训学生和博士后,帮助他们学习如何选择研究问题、如何解决问题,当事情不顺时不会沮丧,如何继续前行。我觉得帮助残疾人和帮助人们发展自己的事业,这是最重要的事情。现在第三个目标就很明显了,那就是深层次地、真正地理解大脑,因为它是如此的迷人,这正是我一生所想,也许没那么久,从大学开始吧。至少在大学以前,我对大脑真的没有太多想法。一个暑期,我偶然得到了一份研究职位,基本上是关于神经计算的课题,我当时就对大脑感兴趣了,真的太酷了,我很想知道大脑如何运作。35年来,我真的很想越来越多地了解大脑。我知道,终我一生也不可能将大脑了解透彻,那是不可能的,就像物理学家一样,一辈子也永远不可能理解物理学的一切。但是没关系,我只想有所贡献。

Q

您今天说了很多内容,我们采访结束后会把您所说的分享给许多年轻科学家。最后,您能分享一些想对年轻科学家们说的话和建议吗?

Shenoy:当然可以,这是一个非常好的机会来分享我的一些想法。我的智慧可能还不足以来分享任何东西,但如果让我说的话,我想大家应该跟随自己的内心。是什么不重要,但你得跟随自己的内心。在我自己的职业生涯中,我喜欢电子工程,我喜欢神经科学,因为我喜欢去了解有多少像小晶体管一样的小部件变成了电脑,有多少神经元变成了大脑。我当时在麻省理工学院读书,马上就要获得电子工程学博士学位。我决定拒绝一份非常赚钱的工作,遵从自己的内心。因为我知道,我只有在研究大脑、研究大脑如何帮助人们时,我才会感到满足、感到快乐。我之所以说追随你的内心或所热爱的事务,是因为唯一能让自己更为优秀的途径,是唯一能够有所成的方法。因为如果你从事一些不喜欢的事业,做一些你毫无触动的事情,每天起床、全身心投入都会很困难,更别说第二天、接下来50年都是如此。所以我认为,有时候年轻科学家们、年轻学生们感觉自己理所应当知道自己所热爱的事业是什么,但事实并非如此。你是无法控制自己喜欢上一件事情以及什么时候会喜欢上的。就像是在人际关系中,你不知道什么时候你会遇到对的人、什么时候你会结婚。你不知道什么时候你会找到你喜欢的职业,你只需要继续寻找你终会找到毕生的追求,并不懈探索。我想你不仅会过得很开心,更会有所成就。

21

2021-10