五年厚积薄发！复旦大学类脑智能科学与技术研究院2020年度科研成果汇编
通过5年的建设积淀和潜心攻关，研究院引育人才独成气候，拥有国际学术大师、海外杰出中青年骨干、博士后、研究生等200余位研究人员和近十个研究组；已建成亚洲规模最大的高端科研型影像研究平台张江国际脑影像中心和全维度多模态脑科学数据平台张江国际脑库两个重大科技基础设施；承担纵向项目56项，国家级项目32项，科研经费在高位持续增长；科研成果持续涌现，以第一或通讯作者单位累计在JAMA Psychiatry、 Molecular Psychiatry、Nature Human Behaviour、 Science Advances、 American Journal of Psychiatry、 Biological Psychatey等脑科学领域顶级期刊和NIPS、 AAAI、 CVPR 等人工智能顶会发表近三十多篇，正在承担国家和上海市脑与类脑相关重大研究计划的战略研究和任务组织，已逐步成长为脑科学与类脑智能领域国际一流的前沿研究中心。
面向科技重大前沿，勇攀自主创新高峰。在2020年的最后一天，让我们一起回顾研究院一年来的主要科研成果。
1.赵兴明研究组和合作团队开发人类肠道宏基因组数据库GMrepo
2020年1月8日，《Nucleic Acids Research》发表了题为《构建了一个人类肠道元基因组数据库GMrepo (肠道微生物菌群数据库)》（“GMrepo: a database of curated and consistently annotated human gut metagenomes”）的研究论文。该研究由复旦大学赵兴明教授团队与华中科技大学陈卫华团队合作完成。
论文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6943048/
2.程炜研究组领衔国际研究团队发现儿童睡眠时长与认知能力、心理健康的关系
2020年2月4日，《分子精神病学》（Molecular Psychiatry）在线发表题为《儿童睡眠时长与认知、心理健康以及脑结构的关系》（“Sleep duration, brain structure, and psychiatric and cognitive problems in children”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰教授、程炜青年研究员团队领衔来自英国华威大学、牛津大学等的研究人员合作完成。
图示：A)儿童睡眠时长相关联的脑区；B)儿童抑郁评分相关联的脑区；C）儿童认知打分相关联的脑区。
研究发现，睡眠时长与儿童认知功能打分以及心理健康打分如抑郁打分、焦虑打分等显著关联，睡眠时长较长的儿童在认知能力与心理健康方面总体要比睡眠时长较短的儿童要好。睡眠时长与眶额叶皮层、前额叶、颞叶、楔叶以及缘上回等脑区的皮层面积呈正相关。此外，随访分析表明基线水平的抑郁打分与一年后的睡眠时长成负相关，中介分析进一步揭示了脑结构、抑郁打分以及睡眠时长之间的调制关系。该研究有望为指导合理安排儿童睡眠时间，促进儿童健康生活方式提供科学依据。
3.王鹤研究组和合作团队提出一种用于光热疗法实时精确监测的磁共振成像新策略
2020年3月25日，《纳米快报》（Nano Letters）在线发表了《MR成像引导下光热治疗过程中温度的精确实时监测》（“Accurate and Real-Time Temperature Monitoring during MR Imaging Guided PTT”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员王鹤课题组与华东师范大学步文博团队合作完成。
研究团队提出了一种创新的策略，将用于精确追踪PTAs的T1-MRI与用于实时监测PTT过程中体内温度变化的磁共振温度成像(MRTI)相结合。研究团队合成了一种有利于提升T1加权性能，进而能够更好的追踪肿瘤和局部PTAs分布情况的新型纳米材料。这种材料极弱的磁敏感性对局部相位干扰较小，保持了MRTI动态记录肿瘤和瘤周正常组织温度变化的能力。研究团队采用磁共振相位测温法，使得测温的时间分辨率达到19s/帧，温度变化的检测精度约为0.1K。多模MRI引导下实现PTT的方法具有很大的临床应用潜力。
4.罗强研究组联合国际团队发现大脑发育过程发生的变化可能增加青少年醉酒行为的频次
2020年4月1日，《美国医学会杂志·精神病学卷》（JAMA Psychiatry）发表了题为《青少年的大脑灰质和个性发育与醉酒频率增加的关系：纵向队列分析》（“Association of Gray Matter and Personality Development With Increased Drunkenness Frequency During Adolescence”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院罗强副研究员课题组和英国伦敦国王学院、法国雷恩第一大学科研人员合作完成。
该研究使用了一个包括726例健康被试的青少年队列，跟踪采集了14岁、16岁和19岁的数据，综合分析了大脑灰质体积、醉酒行为和冲动、开放性等人格特质三者之间的复杂相互作用，分析结果表明，在这5年的发育过程中，前额叶和颞叶的一些脑区的灰质体积缩减的越快，醉酒的频次越多。该项研究的另一个关键在于“因果推断”的方法创新，将基于统计模型的因果推断与因果关系的时间前置性条件验证相结合，最大程度的发挥了纵向队列数据的优势，从统计上确认了脑发育异常与之后的醉酒行为增加之间的显著关系。其重要发现对于理解酒精成瘾风险的脑发育机制将产生重要影响。
5.贾天野与冈特·舒曼研究组领衔国际团队发现青少年多动及注意力缺陷等外向障碍在多个认知环路上的调控机制
2020年4月20日，《自然·人类行为》（Nature Human Behaviour）发表了题为《强化相关行为的神经行为学特征及分型研究》（“Neurobehavioural characterisation and stratification of reinforcement-related behaviour”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院青年研究员贾天野与英国伦敦国王学院、复旦大学特聘讲座教授冈特·舒曼（Gunter Schumann）领衔的国际团队合作完成。
图示：A）奖赏预期下的多动行为核心脑区；B）行为抑制任务下的冲动行为核心脑区；C）行为抑制任务下的注意力缺陷核心脑区；D）行为抑制任务下的品行问题的核心脑区。
该研究首次系统性地从多个特异性的认知神经环路分析了青少年精神和行为障碍的神经调控机制，并找到了外向障碍相关特征行为在不同认知领域具有特异性激活的功能脑区。
该研究不仅确认了注意力缺陷多动障碍的多个特征行为（即注意力缺陷行为、多动行为和冲动行为）各自具有特异性的认知神经基础，并且发现注意力缺陷行为和品行障碍可以由行为抑制任务下的右侧下额叶区域共同调控，进而揭示了两者共病的脑神经机制，为跨疾病诊断及分型治疗提供了重要的理论基础。
6.罗强研究组通过青少年脑影像学随访队列分析揭示多动症双通路模型的关键脑区
2020年5月7日，《美国精神病学杂志》（The American journal of psychiatry）发表了题为《青少年中多动症双通路模型的神经基础》（“Neural correlates of the dual pathway model for attention-deficit/hyperactivity disorder in adolescents”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰教授、罗强副研究员团队,与上海交通大学附属新华医院、英国剑桥大学、伦敦国王学院等单位合作完成。
该研究利用大型的欧洲青少年群体神经科学影像学随访队列（n=1963），发现前额叶（特别是腹内侧前额叶、背侧前扣带回和前岛叶）和枕叶区（特别是左侧楔叶）的灰质体积越小，多动症的症状越严重（图1）。
图1: 前额叶和枕叶区的灰质体积越小多动症症状越严重
研究人员发现多动症遗传风险（即多基因风险评分）越高，多动症症状越严重、工作记忆越差、延迟厌恶越明显，并且该遗传风险仅和左楔叶的灰质体积表现出显著的统计相关性。通过随访队列数据分析，研究团队还进一步发现14岁时的左楔叶灰质体积可以显著提高对2年后多动症症状的预测准确率。
该研究表明，多动症的双通路模型同时存在分离的和共同的脑结构基础。左侧枕叶灰质体积和多动症症状相关，和认知与动机两条通路的受损情况相关，和多动症遗传风险相关，对多动症的症状具有预测性，并且与多动症药物治疗紧密相关。据冯建峰介绍，该研究的发现或有助于构建多动症的影像学标记，帮助精确诊断和疗效评估。
7.林伟研究组构建辨识因果网络的新型算法
2020年5月26日，《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了题为《偏交叉映射排除间接因果影响》（“Partial cross mapping eliminates indirect causal influences”）的研究论文。该研究由复旦大学数学科学学院、类脑智能科学与技术研究院林伟教授团队，与中国科学院、苏州大学、日本东京大学等团队合作完成。
本项研究利用动力系统理论清晰阐明了可分性条件的严格数学机理，并综合利用相空间重构、交叉映射、偏相关系数等动力学与统计学相关算法，建立了新型偏交叉映射方法，实现了非线性动力系统中直接因果与间接因果的区分，从而为在大规模数据中辨识可信的因果网络提供了可靠算法。该算法已被用于生态系统、环境与疾病互作系统以及基因调控网络等多个实际问题中，成功复现了这些复杂动力学演化系统的内蕴因果网络，为进一步理解系统演化的基本机制提供了方法学基础。
8.冯建峰研究组提出一种基于人脑联想感知机制的自动驾驶三维目标检测算法
9.罗强研究组领衔国际联合研究团队发现早期多动症症状引发后期睡眠问题的基因和脑结构
2020年9月15日，《生物精神病学》（Biological Psychiatry）发表了题为《多动症和睡眠障碍有何联系？基于大规模随访队列对纵向关联和脑结构开展多模态研究》（“What is the Link between Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder and Sleep Disturbance? A multimodal examination of longitudinal relationships and brain structure using large-scale population-based cohorts”）的研究论文。该研究由复旦大学类脑智能科学与技术研究院院长冯建峰教授、罗强副研究员团队,与英国剑桥大学、加拿大渥太华大学合作完成。
该项研究利用加拿大魁北克QLSCD出生队列和美国学龄儿童脑发育ABCD队列，通过因果推断统计模型，发现了早期越严重的多动症症状引发后期越多的睡眠问题（如图1所示）。
图1：交叉时滞模型显示ADHD症状会引发更多睡眠问题
为了理解该因果关系的神经生物学机制，研究团队开展了脑结构影像学研究（n=3515），发现了与多动症症状和睡眠问题共同相关的若干关键脑区，主要集中在注意力网络和觉醒系统（如图2所示），在这些脑区中，较少的脑灰质与更严重的ADHD症状相关，而后更严重的ADHD症状会引发后期越多的睡眠问题。
图2：额下回和尾状核等关键脑区的灰质体积越小，ADHD症状和睡眠问题越严重
研究团队进而通过基因转录组学分析，发现一些主要参与昼夜节律和神经信号传导等分子生物学过程的特殊基因在上述脑区中表达较多（如图3所示）,找到了早期多动症症状引发后期睡眠问题的脑影像学证据。
图3：在关键脑区中过表达的基因富集在生物节律和神经传导等生物学过程
该研究揭示了多动症与睡眠障碍共病机制，并找到了与此相关的基因和脑结构，或有助于研发设计新的早期多动症治疗方案，以减轻患者的ADHD症状和睡眠问题。
10.张孝勇研究组与合作团队提出酸性“代谢边界”导航手术的新策略
2020年4月7日，《化学科学》（Chemical Science）杂志发表了《PH比率响应表面增强拉曼探针可视化肿瘤酸性代谢边界导航手术》（“PH ratiometrically responsive surface enhanced resonance Raman scattering probe for tumor acidic margin delineation and image-guided surgery”）的研究论文。该研究由复旦大学药学院李聪教授、附属华山医院毛颖教授以及类脑智能科学与技术研究院张孝勇青年研究员联合研究团队，与意大利都灵大学研究团队合作完成，在脑胶质瘤手术导航策略方面取得重要进展。
研究团队发现病人胶质瘤浸润组织恶性程度与组织间液酸化程度间呈正相关性，构建了pH比率响应型表面增强拉曼探针，提出酸性“代谢边界”导航手术的新策略，提高了胶质瘤模型的切除率及生存时间。
图1： 可视化肿瘤“代谢边界”导航胶质瘤手术切除新策略
根据癌细胞葡萄糖酵解导致酸化与组织恶性程度的相关性，该工作提出了术中可视化酸性“代谢边界”导航手术新策略（图1）。构建了一类跨血脑屏障pH比率响应型表面增强共振拉曼散射探针，提出了可视化酸性“代谢边界”指导手术新策略。在该探针手术中成功绘制了胶质瘤荷瘤大鼠手术切面的pH分布图并引导肿瘤浸润区域切除。术后运用超高场强（11.7 T）化学交换饱和转移（CEST）磁共振成像技术无创监测肿瘤切口pH值变化监测胶质瘤复发情况（图2）。
图2：酸性代谢边界指导大鼠原位胶质瘤模型切除手术。
复旦张江国际脑影像中心
前 文 阅 读
CNS三大刊2020年年度最佳论文全部出炉！脑科学一共4篇，我国学者入选1篇！进入第10年！多学科交叉融合的北京大学IDG麦戈文脑科学研究所2020年科研成果汇编2020年度“中国神经科学重大进展”获奖名单【附成果介绍】 浙江大学脑科学与脑医学学院成立一周年！科研成果汇编中科院神经所第21年，砥砺前行（上篇）中科院神经所第21年，砥砺前行（下篇）：Nature、Science、4篇Neuron等风雨兼程28年！复旦大学医学神经生物学国家重点实验室2020年科研成果汇编
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！
骆利群院士近年科研成果盘点：4篇Cell，2篇Science，1篇Nature和1篇Nat Protoc
一年内3篇Nature、3篇Neuron ！清华-IDG/麦戈文脑科学联合研究院2020年成绩斐然