成立15年，这个脑科学国家重点实验室依旧发挥稳定，下半年科研成果涌现！
认知神经科学与学习国家重点实验室2005年批准建设，今年已走过15年。2011年，以国家重点实验室为主要依托成立北京师范大IDG/McGovern 脑科学研究院。本实验室以脑发育和认知发展的动态发展观为核心指导思想，以高级认知功能为突破口，解决“学习与脑的可塑性 ”的重大科学问题，为建立我国基于脑的教育、基于脑的认知障碍矫治方法、基于脑的人力资源产业开发提供科学依据，从而促进我国亿万儿童青少年的智力和心理健康发展，满足国家须不断提升人口素质和综合国力的重大需求 。
下面，让我们一起来回顾他们2020年取得的科研成果。
01
韩在柱课题组在《Brain》发表论文揭示语义记忆的脑白质网络结构
2020年3月10日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室韩在柱教授课题组在Brain发表了题为“White matter basis for the hub-and-spoke semantic representation: evidence from semantic dementia”的研究论文。该研究以语义性痴呆（semantic dementia, SD）病人为研究对象，探讨了语义记忆的脑白质网络结构。韩在柱课题组曾通过对脑中风患者的语义网络进行了探索研究（如Han et al., 2013; Bi et al., 2015; Zhao et al., 2017），但在此项研究中，本研究合作团队进一步采用发病率较低的SD病人为研究对象（33名SD患者，20名健康控制组），既鉴定了hub中心区的确切位置，也揭示了该中心区与感知运动型知识区的连接模式。
02
2020年4月，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室BABRI全国协作组在《Pharmacological Research》发文揭示复方中药灯盏生脉胶囊改善血管性认知障碍患者认知能力及大脑连通性的脑影像机制。该研究以VCI患者为研究对象，利用多模态磁共振MRI技术，结合成套的神经心理测查方法，全面评估了复方中药灯盏生脉胶囊干预VCI患者的疗效，并通过图论和机器学习方法揭示了药物干预后患者认知改善、提高大脑连通性的神经影像机制。
灯盏生脉胶囊对白质结构网络的调控作用（A）干预前后药物组与安慰剂组结构连接的改 变（蓝色：增加；红色：减少）; (B)使用SVM对两组干预前后白质网络连接矩阵进行分类的ROC曲线; (C)右侧嗅皮质网络节点效率改变与认知功能改善相关。
03
马燚娜课题组在《Nature Neuroscience》发表论文揭示群际冲突的脑间同步机制
04
薛贵课题组在《eLife》发表文章揭示测试练习促进记忆更新的神经机制
2020年5月18日北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室薛贵教授课题组在eLife在线发表了题为Retrieval practice facilitates memory updating by enhancing and differentiating medial prefrontal cortex representations的研究论文，发现测试练习可以促进记忆更新，其中的一个重要机制就是加强并分化了内侧前额叶皮层（MPFC）的表征。
研究结果说明了测试练习可以同时激活新旧记忆，并在MPFC区域形成分化的新旧记忆表征，从而减小记忆干扰，促进记忆更新。另外，测试练习也降低了对于感知觉皮层表征的依赖，从而达到更持久记忆的效果。这一发现揭示了测试练习促进记忆的新机制，为有效学习的神经激活模式再现假说（Xue，2018）提供了进一步的证据支持，并且表明激活模式再现不仅可以促进记忆的巩固，还有助于整合和区分不同记忆。
05
秦绍正课题组与中科院心理所李新影研究组合作在《Biological Psychiatry》发表最新研究成果：揭示消极教养压力影响青少年抑郁情绪的神经基础及其遗传效应
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室秦绍正团队与中国科学院心理健康重点实验室李新影研究组合作，从北京双生子数据库（Beijing Twin Study ，BeTwiSt）中选取了100个同卵和78个异卵的同性别双生子进行了3年的纵向研究，以考察青少年早期（平均13岁）的母亲教养方式对青少年中期（平均16岁）杏仁核脑环路发育及抑郁症状的影响，并明确遗传因素所占的比重。
研究结果表明：母亲消极教养与遗传因素通过对杏仁核与腹侧前额叶脑环路的中介作用增强了青少年抑郁的风险。这项研究提示：母亲消极教养及其相关压力等不良家庭环境，可能通过诱发应激激素如皮质醇等分泌，作用于杏仁核与前额叶环路并导致该环路发育异常，从而引发青少年抑郁等情绪问题的发生发展。本研究为研制抑郁等情绪问题的早期标记物以及早期干预的脑网络靶点提供新的启示。
图1 母亲消极教养对杏仁核脑网络的预测作用
06
龚高浪研究组揭示左右脑白质纤维连接的遗传关联规律
2020年8月14日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的龚高浪研究组在国际知名神经科学杂志Cerebral Cortex在线发表了题为 “Interhemispheric relationship of genetic influence on human brain connectivity ” 的研究论文。该论文利用双生子和家系人群的弥散磁共振脑影像数据，从遗传度(heritability)相似性和遗传相关性(genetic correlation)两个角度，揭示了左右侧同源脑白质连接的遗传关联规律。为理解健康和疾病状态下白质连接不对称性及共性的遗传发生机制提供了重要线索，并为探索人脑左右半球的遗传关联规律提供了新的研究范式。
图 左右半脑白质连接的遗传度
07
舒华教授、丁国盛教授参与eLife论文揭示中法儿童具有跨语言普遍性阅读神经回路
文字的产生使得口耳相传的知识和经验得以记录和传承，对人脑的进化产生了革命性的影响。不同文化中的文字在设计规则、形音义之间的映射方式等方面都存在很大差异。有关人脑对不同文化的文字符号处理是否依赖一个普遍的阅读神经回路，一直存在分歧。近期，认知神经科学与学习国家重点实验室舒华教授、丁国盛教授参与完成的一项跨文化比较脑成像（fMRI）研究，为回答该问题提供了研究证据。
该研究由北京师范大学、北京大学、法国巴黎高师和法国国家健康与医学研究院的研究者合作完成。研究者在中国北京和法国巴黎共招募96名小学儿童。该研究指出，尽管中法语言结构、正字法深度、表音表意规则存在很大差异，儿童阅读获得/发展过程仍然依赖一个跨书写系统的普遍核心阅读回路，该阅读回路受到阅读水平的调节，揭示了阅读习得和阅读困难神经机制的跨语言普遍性。
图：四组被试的类别特异性激活（某一类别>其它所有类别）。不同于正常发展儿童，汉语和法语阅读困难儿童都未在左侧颞枕区出现文字加工特异的脑区，即视觉词形区(VWFA, Visual word form area)。但对非文字类的视觉类别（如面孔，房子）的激活模式均正常。
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经颅直流电刺激（tDCS）可有效提升网络游戏成瘾者的调控功能
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周新林研究团队在《Developmental Science》发表封面论文揭示知觉训练干预计算障碍及其认知机制
2020年7月，发展心理学权威期刊《Developmental Science》（《发展科学》）以封面论文的形式发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室周新林教授研究团队关于发展性计算障碍的知觉训练干预的重要发现。
发展性计算障碍（Developmental dyscalculia, 简称DD）属于一种特定学习障碍，表现为数字加工和理解困难、计算的准确性和流畅性差（精神障碍诊断与统计手册第五版，DSM-5）。根据国内外流行病学调查，DD在学龄期儿童中的发病率约为5%。 本研究首次使用随机对照的方法考察了非符号数目加工训练对计算障碍的干预效果，证明了计算障碍儿童的近似数字系统和符号运算之间的因果关系。本研究是神经认知发育理论在实践中的应用，为计算障碍的干预及其潜在机制提供了实验证据。
10
周新林研究团队发现珠算课程可以消除计算障碍
近年来，针对珠算珠心算训练的研究已发现了珠心算训练对学习者算术能力的促进作用。有些研究还表明，珠心算可以提升基本的数字加工效率、工作记忆、注意能力。脑科学研究显示，珠心算可以塑造大脑，其中就包含计算障碍群体可能发育不良的大脑顶叶区域。
那么，既然又能提高算术计算能力，又能塑造大脑，早期的珠算课程是否可以消除计算障碍？周新林团队为了验证珠算课程对于计算障碍的作用，选取了江苏省南通市和常熟市，来自12个自然班的479名二、三年级的学生参与了测试。借助珠算班级与非珠算班级的比较，该研究首次揭示了珠算课程对于计算障碍的预防及干预作用。研究启示我们，中国的珠算课程，可能可以用于早期的学校数学教育，发挥早期预警作用，用以避免孩子出现计算障碍。
11
BABRI团队在《Cerebral Cortex》杂志发表认知老化相关最新研究进展
近日，BABRI团队在《Cerebral Cortex》杂志发表了题为“Age-Related Decline in the Topological Efficiency of the Brain Structural Connectome and Cognitive Aging”的文章。本研究基于BABRI团队多年收集的中国社区老年人大样本脑影像数据库，聚焦于大脑的正常老化，揭示了在正常老化过程中人脑结构连接组的拓扑结构随年龄的改变模式，并探索了这些改变与老年人多种高级认知功能下降之间的关系。本文的共同第一作者是北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的李馨老师，硕士生王野舟与博士生王文潇，通讯作者是北京师范大学的张占军与舒妮老师。
本文的研究发现揭示了正常老化过程中人脑结构连接组的拓扑变化模式，为认知老化的个体预测提供了潜在的影像标记物，并为理解年龄、脑网络拓扑效率以及认知老化之间的关系提供了新的见解。
12
舒妮课题组与合作者在《Molecular Neurodegeneration》发表关于阿尔茨海默病临床前期主观认知下降的神经影像研究综述
2020年9月22日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室舒妮课题组与首都医科大学宣武医院韩璎教授团队合作在《Molecular Neurodegeneration》（IF = 9.6）杂志发表了题为“Neuroimaging advances regarding subjective cognitive decline in preclinical Alzheimer’s disease”的综述文章。本文系统的总结了阿尔茨海默病（AD）临床前期——主观认知下降（SCD）阶段的多模态神经影像研究进展以及特征性的影像学病理改变，指出了目前研究存在的问题以及未来可能的发展方向。本文的共同第一作者是首都医科大学宣武医院博士生王小琪与北京师范大学博士生黄伟杰，共同通讯作者是首都医科大学宣武医院韩璎教授与北京师范大学舒妮副教授。
本文通过对近二十多年的SCD神经影像研究进行检索和综述，从分子影像PET，到结构和功能MRI等多个影像模态对SCD人群中AD相关的神经影像学特征进行总结，发现SCD主要在AD特征性的脑区如海马，内嗅皮层，以及在内侧前额叶，扣带和楔前叶等默认网络关键脑区出现大脑结构和功能的病理性改变（图一）。同时也发现SCD与轻度认知障碍和AD患者具有类似的脑影像改变模式，证实SCD阶段是AD临床前期重要的临床表现，也是AD早期筛查和干预的关键时间窗口。本文还提出，借助不同模态优势的多模态影像学研究以及结合人工智能大数据分析的个体化精准诊疗将是未来研究的趋势，有助于从多水平多维度阐明AD早期的病理生理机制，实现AD早期诊断的临床辅助决策。
图一、SCD的多模态脑影像病理变化特征
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卢春明课题组应邀在社会神经科学重要杂志Social Cognitive and Affective Neuroscience发表综述文章，提出人际间言语交流的认知神经层级模型
语言是为满足群体协作的需要而产生的交流工具，也是人类区别于其它动物的重要标志之一。但是长期以来，大部分关于语言脑机制的研究都脱离了交流情境，将听和说割裂开来单独进行考察。因此，基于这些研究建立的语言加工认知神经机制模型可能并不适用于语言交流过程的阐释。
为此，卢春明课题组于2020年11月21日在《Social Cognitive and Affective Neurosciences》（SCAN）杂志发表了题为“A hierarchical model for interpersonal verbal communication” 的综述文章，提出了适用于人际间言语交流的认知神经层级模型（图1）。
图1 人际间言语交流的认知神经层级模型
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实验室发表关于儿童青少年脑默认网络发育的论文
2020年11月19日，国际著名神经影像学杂志《NeuroImage》在线发表认知神经科学与学习国家重点实验室研究论文“Development of the Default-Mode Network during Childhood and Adolescence: A Longitudinal Resting-State fMRI Study”。该研究采用功能磁共振纵向扫描设计和基于图论的网络分析方法，系统揭示了儿童青少年在6-14岁期间的脑默认网络发育轨迹。
默认网络是人脑最为核心的功能系统之一。默认网络的节点主要包括后扣带回/楔前叶、内侧前额叶、顶下小叶、颞叶外侧皮层以及海马等区域。这些脑区在主动注意相关任务中呈现负激活，而在自传体记忆、情景记忆、展望未来和社会推断等内在心理过程时呈现正激活。儿童青少年时期，个体的认知、情感和社会能力迅速发展，同时伴随脑结构和功能的快速发育。鉴于人脑默认网络与内在心理过程以及社会功能密切相关，探索儿童青少年时期脑默认网络的发育轨迹对于理解个体认知发展的神经机制具有重要价值。
图1. 6-14岁儿童青少年默认网络功能连接的发育
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卢春明课题组在神经科学重要杂志Cerebral Cortex发表论文揭示触觉交流促进亲密关系的神经机制
触觉是人体最重要的感知通道之一。除了感知温度、形状等基本功能以外，触觉在传递社会性和情绪信息等方面同样重要。特别是，触觉在巩固亲子关系、建立和发展爱情关系等方面可能发挥着不同于口语的重要作用。然而，以往大部分脑认知研究主要关注了视听知觉和抽象语言符号的重要作用，但是却少有涉及触觉的重要作用。特别是，随着现代生活节奏的加快和现代科技带来的生活方式的改变，人与人之间实际接触的机会越来越少，由此可能对亲密关系的建立和维系带来一些不确定的影响。因此，理解触觉交流如何促进亲密关系这一问题有重要的现实意义和科学价值。
2020年11月，神经科学重要杂志Cerebral Cortex在线发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明课题组的研究论文《Interpersonal Neural Synchronization during Interpersonal Touch Underlies Affiliative Pair Bonding between Romantic Couples》,揭示了触觉交流促进情侣间亲密关系发展的脑间神经同步机制。论文第一作者龙宇航是国家重点实验室的在读博士生，研究兴趣是亲密社会关系下的社会交流与互动。
图1 实验设置和主要结果。(a)在拉手任务中，被试需要互相握住对方的手，并保持沉默和对视；在口语交流任务重，被试之间没有肢体接触，只是进行自由对话和对视。(b)光极放置在双侧额叶、颞叶和顶叶附近。结果发现，女性颞叶前部和男性颞顶联合区 (CH22-18)出现了显著的关系类型和交流方式的交互作用，即情侣拉手时的脑间同步显著高于口语交流，而朋友则是口语交流时的脑间同步显著高于拉手时。
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薛贵课题组与合作者在《PNAS》发表文章揭示视觉短时记忆的多表征及动态性特征
2020年12月7日北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室薛贵教授课题组在PNAS 在线发表了题为Stable maintenance of multiple representational formats in human visual short-term memory的研究论文。研究发现视觉短时记忆中保持了高级视觉和语义两种表征形式。这些表征通过和海马低频相位耦合以维持稳定的工作记忆。
视觉短时记忆是个体对外部世界建立连续稳定感知，并进行高级认知的基础。早期猴子电生理研究认为短时记忆的信息存储是通过前额叶的持续放电来实现，但这一机制假说存在很多局限。另外，以前工作记忆通常采用简单视觉刺激，但是对于自然物体的工作记忆的表征内容及其动态变化属性仍不清楚。本研究采用了经典的延迟匹配任务，利用癫痫病人颅内脑电记录技术，并结合深度神经网络模型和语义模型等分析方法，深入探究了视觉短时记忆表征形式，以及这些表征在时间上的动态变化。
图1 实验范式，电极位置和表征相似性分析示意图
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BABRI协作组在《NeuroImage》发表论文揭示老化过程人脑白质结构失连接的潜在葡萄糖代谢机制
2020年12月，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室BABRI协作组在神经影像领域权威期刊《NeuroImage》发表了题为“Relationship between the disrupted topological efficiency of the structural brain connectome and glucose hypometabolism in normal aging”的论文。
本研究基于北京BABRI协作组收集的中国社区老年人的多模态神经影像数据，通过弥散磁共振成像（DTI）和正电子发射断层扫描技术（PET），对正常老化过程中大脑白质结构网络拓扑效率与大脑皮层葡萄糖代谢水平的变化模式以及两者之间关系进行了系统研究。本文的第一作者是北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室的毕秋辉博士和王文潇博士，通讯作者是北京师范大学的舒妮老师和中国医学科学院北京协和医院的崔瑞雪老师。
图1. 正常老化脑白质连接效率和葡萄糖代谢水平之间的空间耦合性
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形状视觉：视皮层V4区的圆弧功能模块
2020年12月1日，《eLife》期刊发表了北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室吕海东课题组的研究成果。这项研究揭示了一种新的视皮层功能模块：圆弧功能区（curvature domains）。
灵长类的大脑皮层由各种各样的功能模块构成。例如，在初级视觉皮层，具有相同朝向偏好的细胞聚集在一起，形成朝向功能柱；在高级视觉皮层IT区，对面孔有偏好的细胞聚集在一起，形成面孔功能区。然而，中等复杂度的形状是否也有相应的功能模块并不清楚。
在这项工作中，研究者们利用内源信号光学成像和双光子钙信号成像，在两个不同的空间尺度对猕猴的视皮层进行了研究。他们在处理形状信息的重要脑区V4发现了一种新的，约0.5毫米直径的功能模块，这些功能模块内的神经元对圆弧形状的轮廓线反应很强，而对直线或折线反应很弱。这些功能模块被称为“圆弧功能区”（curvature domains）。
图一. 通过比较对两种视觉刺激的反应，内源信号光学成像揭示同一成像窗口内V4区的圆弧功能区，即C，D，E图中分布一致的黑色斑块。F图为用来作为对比的该成像窗口内的朝向功能区。
以上内容来源：认知神经科学与学习国家重点实验室
前文阅读：
中科院神经所第21年，砥砺前行（下篇）：Nature、Science、4篇Neuron等
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