饶毅教授领衔的北京大学-IDG/麦戈文脑研究院成立十周年---2021年30篇研究进展汇编

北京大学-IDG/麦戈文脑研究院于2011年11月8日在北京大学正式成立，依托于北京大学心理学系，以北京大学—清华大学生命科学联合中心为倚靠，整合分布于校本部的院系（如心理系、生命科学学院等）、医学部（如基础医学部和精神卫生研究所等）的基础和临床研究力量，加强北大内部与脑研究相关的多学科交叉，推动人类对脑和认知的认识、促进精神健康。
2012年4月15日，北京大学-IDG/麦戈文脑研究院第一次董事会全票通过北京大学生命科学学院饶毅教授为北京大学—IDG/麦戈文脑研究院的首任院长。2021年是北京大学-IDG/麦戈文脑研究院成立十周年！更多关于研究院的介绍，可以观看其官方的报道：饶毅：下个十年，世界领先！
下面，跟brainnews编辑部来一起回顾北京大学-IDG/麦戈文脑研究院2021年发表的论文，更多详细内容，请见官网。

1

北京大学第二代微型化双光子显微镜问世

2021年1月6日，由北京大学分子医学研究所牵头，联合北大信息科学技术学院电子学系、工学院以及中国人民解放军军事医学科学院等组成的跨学科团队，在Nature Methods 在线发表题为 “Miniature two-photon microscopy for enlarged field-of-view, multi-plane, and long-term brain imaging”的文章。

文中报道了第二代微型化双光子荧光显微镜 FHIRM-TPM 2.0，其成像视野是该团队于2017年发布的第一代微型化显微镜的7.8倍，同时具备三维成像能力，获取了小鼠在自由运动行为中大脑三维区域内上千个神经元清晰稳定的动态功能图像，并且实现了针对同一批神经元长达一个月的追踪记录。

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2

新冠疫情期间隔离对公众精神心理的影响及应对策略

2021年1月22日，Molecular Psychiatry 在线刊登了陆林院士团队题为“The impact of quarantine on mental health status among general population in China during the COVID-19 pandemic”的研究论文。

研究发现发现在COVID-19大流行期间曾经有过集中隔离等经历的暴露者会增加34%的精神心理负担。该论文系统研究了新冠疫情大流行期间公众及隔离人群面临的精神心理问题及影响因素，为新冠疫情期间公众心理健康的守护提供了重要的科学依据。

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3

pBLA-vCA1环路和AMPA受体参与抑郁症发病新机制

2021年2月9日，北京大学麦戈文脑科学研究所、北京大学基础医学院神经科学研究所张勇研究团队在Proceedings of the National Academy of Sciences 在线发表题为“Amygdala-hippocampal innervation modulates stress-induced depressive-like behaviors through AMPA receptors”的研究论文。

该研究团队利用慢性不可预见性温和应激（CUMS）构建小鼠抑郁症模型，揭示基底外侧杏仁核后部（pBLA）到腹侧海马CA1区（vCA1）神经环路和AMPA受体在抑郁样小鼠模型中发挥关键作用。

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4

操控人脑工作记忆的“动态扰动”新范式及神经网络动力学模型

2021年2月19日，罗欢研究员课题组在Progress in Neurobiology 上发表了题为“Temporally coherent perturbation of neural dynamics during retention alters human multi-item working memory” 的研究论文。

在以往发现基础上，该课题组成功开发出一种全新“动态扰动”行为范式，通过在记忆保持阶段呈现有特定时间关系的多个动态亮度序列对人类序列工作记忆进行操控。课题组进一步和重庆大学弭元元研究员合作，建立了神经网络动力学模型对该过程进行模拟，揭示了“动态扰动”背后的神经网络短时突触可塑性原理。该研究开发了一种原创的工作记忆操控范式，为记忆的动态神经机制提供了全新因果证据，也为人工智能和类脑研究提供了生物启发的时间维度上的新思路。

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5

代谢疾病中肝脏交感神经退行性病变及其关键机制

2021年3月2日，北京大学麦戈文脑科学研究所杨竞课题组在Cell Metabolism 发表题为“Metabolic stress drives sympathetic neuropathy within the liver” 的研究论文。

杨竞课题组首先优化了肝组织收取、组织脱色、透明化处理等多个步骤，在领域中首次实现对于小鼠、猕猴、人类肝脏中神经三维分布的系统性观察，证明不同高等哺乳动物肝组织实质中只存在交感神经而不存在副交感神经，从而纠正了有关肝脏中神经结构的长期错误结论。研究发现阐释了代谢疾病条件下肝组织的全新神经免疫调控机制。

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6

人类交流推理的神经计算机制

2021年3月3日，北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所朱露莎课题组在SCIENCE ADVANCES 上发表了题为“Reading between the lines: Listener’s vmPFC simulates speaker cooperative choices in communication games” 的研究论文。

课题组将决策神经科学、计算语言学以及博弈论等多学科研究方法相结合，发现人类大脑通过灵活、自动、理性地模拟他人的合作行为，来推断交流信号的潜在含义。这一过程可以在数学上描述为一个基于逆向推理的归因过程，该推理过程所需的几种关键的认知变量由腹内侧前额叶和纹状体的活动定量表征，为理解社会交流提供了一个简单、可扩充的认知神经模型。

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7

利他决策的计算和神经基础

2021年3月5日，Journal of Neuroscience 在线刊发了北京大学心理与认知科学学院及麦戈文脑科学研究所周晓林教授课题组题为“Computational and neurobiological substrates of cost-benefit integration in altruistic helping decision”的研究论文。

该研究结合计算模型与功能磁共振成像技术，揭示了个体在做出利他帮助行为决策时大脑如何对利他行为所需付出的代价和所带来的收益进行计算整合；该研究为解释在不同个体之间利他行为存在巨大差异的原因提供了重要的神经科学证据。

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8

不确定性的快速自动神经编码

2021年3月5日，Journal of Neuroscience 在线刊出了北京大学张航研究组和罗欢研究组的题为“Automatic and fast encoding of representational uncertainty underlies the distortion of relative frequency” 的文章。

结合行为实验、计算建模和脑磁图（MEG），研究者们发现人脑在加工相对频率信息时会快速而自动地编码其中的不确定性。大脑所编码的表征上的不确定性或信心不一定是外显判断或决策后的反思，相反可能是外显判断或决策之前所参照的信息的一部分；其发挥的功能性作用有待未来进一步研究。

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9

群际冲突中造成平民伤亡决策的认知神经机制

2021年3月9日，北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所韩世辉课题组在Nature Human Behaviour 在线发表题为“Cognitive and neural bases of decision-making causing civilian casualties during intergroup conflict” 的研究论文。

该课题组既往工作发现了群际交互中的内群体共情偏好及神经机制以及群际冲突中对外群体复仇的神经生物学机制。该课题组进一步研究了群际冲突中造成外群体平民伤亡决策的认知神经机制，发现在群际冲突决策中 “伤害回避倾向”的降低与大脑左侧额中回（left middle frontal cortex）活动降低相关，提示该脑区在控制“伤害回避倾向”中的关键作用。这一心理神经机制在一定程度上解释了现实冲突中，冲突升级平民伤亡规模增大的现象。

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10

语言加工跨模态词-义捆绑机制

2021年3月9日，北京大学前沿交叉学院磁共振成像研究中心、物理学院医学物理和工程北京市重点实验室及麦戈文脑科学研究所高家红教授课题组在Journal of Neuroscience 发表题为“A heteromodal word-meaning binding site in the visual word form area under top-down frontoparietal control”的研究论文。

本研究入选为该期刊的Featured Research。结合多模态语言理解和表达任务的实验范式和功能磁共振成像技术(fMRI)，该研究发现在口语和书面语的单词层面理解与表达(听、说、读、写)加工过程中，位于枕颞交界皮层的视觉字形区间内(visual word form area, VWFA) 存在一个跨模态的词-义整合中心，并且该区域受到额顶认知控制网络自上而下的稳定调控。

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11

知觉学习调节工作记忆的认知神经基础

2021年4月2日，北京大学心理与认知科学学院及麦戈文脑科学研究所李晟课题组在The Journal of Neuroscience在线刊发了题为“Perceptual learning beyond perception: mnemonic representation in early visual cortex and intraparietal sulcus”的研究论文。

结合行为实验、功能磁共振成像(fMRI)和经颅磁刺激(TMS)技术，研究者发现知觉训练可以改变工作记忆信息在初级视皮层和顶内沟的表征模式。该研究为人类大脑可塑性机制的探索提供了新的研究视角。

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12

新型荧光探针实现在体5-羟色胺动态变化的精确检测

2021年4月5日，北京大学李毓龙实验室在Nature Neuroscience 杂志在线发表了题为“A genetically encoded sensor for measuring serotonin dynamics” 的研究论文。

该研究报道了新型基因编码的5-HT荧光探针的开发及其在多种模式生物中的成功应用，为解决这些重要的科学问题提供了强有力的工具，为解析大脑复杂神经环路奠定了方法学基础。同时，该工作也进一步证明课题组采用GPCR激活原理构建荧光探针策略的普适性。

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13

基于“生物正交工程”的远红区膜电位探针

2021年4月15日，北京大学化学与分子工程学院、北京大学麦戈文脑科学研究所邹鹏课题组与北京大学化学与分子工程学院陈鹏课题组共同在Nature Chemistry 杂志在线发表了题为“A far-red hybrid voltage indicator enabled by bioorthogonal engineering of rhodopsin on live neurons” 的研究论文。

他们综合利用生物正交反应和膜蛋白工程化改造策略，开发出一系列具有高灵敏度和成像信噪比的荧光膜电位探针HVI（hybrid voltage indicator）。根据成像光谱需求，HVI的蛋白质骨架可借助生物正交反应搭配不同的荧光染料结构，构建出一系列跨越可见光谱的复合型探针。

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14

肠神经系统退行性病变的全新免疫调控作用

2021年4月19日，北京大学麦戈文脑科学研究所杨竞课题组在Protein & Cell 期刊上发表了题为“Sarm1-mediated neurodegeneration within the enteric nervous system protects against local inflammation of the colon” 的研究论文。

该研究揭示了急性炎症条件下肠道内儿茶酚胺 （catecholaminergic）神经退行性病变的现象，并阐释这一神经病理现象受控于SARM1信号通路且出乎意料的发挥对抗疾病的保护性功能。

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新型高效NMDAR选择性变构激动剂表现良好抗抑郁潜力

2021年5月3日，北京大学药学院、麦戈文脑科学研究所黄卓课题组和北京大学药学院张亮仁课题组联合在药物化学领域专业期刊Journal of Medicinal Chemistry 上发表了题为“Discovery of Novel and Potent N-Methyl-d-aspartate Receptor Positive Allosteric Modulators with Antidepressant-like Activity in Rodent Models”的研究论文。

该研究报道了一系列新型的靶向NMDAR受体的变构激动剂。作为新一代NMDA受体的变构激动剂，本工作系首次系统评价了NMDA受体变构激动剂在抗抑郁方面的应用。

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肠道菌群参与介导睡眠剥夺引起的认知受损

2021年5月7日，北京大学第六医院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所陆林院士团队，在Molecular Psychiatry 在线刊登了题为“Gut microbiota modulates the inflammatory response and cognitive impairment induced by sleep deprivation”的研究论文。

该论文通过临床与基础研究相结合的方式，首次从“微生物-肠-脑轴”角度揭示了睡眠剥夺导致认知受损的机制，为防治睡眠不足导致的认知障碍提供了新的靶点和思路，为通过干预肠道菌群治疗相关神经精神障碍提供了重要的科学依据。

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猕猴视觉皮层V4中表征中等复杂度形状特征的功能区

2021年5月17日，北京大学生命科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、北大-清华生命科学联合中心唐世明课题组在eLife 杂志上发表题为“Clustered functional domains for curves and corners in cortical area V4”的论文。

该研究应用清醒猴双光子钙成像技术，在皮层层面和细胞层面发现和证明了猕猴V4皮层中存在编码圆弧和角这类中等复杂度特征的功能区，为视觉形状特征的处理过程补充了一块剩余的拼图。这个发现帮助完善了我们对于由简单到复杂的视觉信息整合过程的认知。

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听觉序列工作记忆中“内容与结构”的分离存储神经机制

2021年6月21日，北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在The Journal of Neuroscience 期刊上发表了题为“Distinct neural representations of content and ordinal structure in auditory sequence memory”的研究论文。

该研究揭示了听觉序列工作记忆中“内容与结构”的分离存储神经机制，这样的内容-结构分离有利于人类面对新内容输入的记忆迁移和存储，正所谓以“不变（结构）应万变（内容）“。

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脑磁图仪的前世今生与未来

2021年6月27日，北京大学麦戈文脑科学研究所高家红课题组在Physics 期刊上发表评述文章“Magnetoencephalography: the past, present and future”。

文章介绍了脑磁信号的神经生理起源、生物物理特征及其与脑电信号的联系和区别，回顾了当前基于超导量子干涉仪的脑磁图设备与相关技术，并针对制约当前超导脑磁图发展的技术瓶颈，介绍了基于原子磁强计的新型脑磁探测技术及国内相关研究的最新进展，指出了脑磁图在脑科学研究及临床应用中不可或缺的地位和其硬件技术未来发展的方向。

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20

定位于突触小泡的新型转运体

2021年7月16日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、生命科学学院李毓龙实验室在eLife 杂志在线发表了题为“Localization, proteomics, and metabolite profiling reveal a putative vesicular transporter for UDP-glucose”的研究论文。

研究组通过大规模筛选对可能定位于突触小泡的转运体进行了研究，并发现其中定位于突触小泡的SLC35D3为UDP-葡萄糖转运体。

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优势不公平厌恶的个体差异：社会情感维度与家庭气氛

2021年7月26日，北京大学心理与认知科学学院、麦戈文脑科学研究所周晓林课题组，在Social Psychological and Personality Science 在线发表了题为“Explaining individual differences in advantageous inequity aversion by social-affective trait dimensions and family environment”的研究论文。

本研究结合社会决策的计算模型和人格维度分析，考察了优势不公平厌恶（一种亲社会行为偏好）的个体差异规律及其与家庭环境的关系。研究者发现，同情性社会情感（compassionate social emotion）特质与优势不公平厌恶关系紧密，且能够解释和谐融洽的家庭环境与优势不公平厌恶之间的关系。本文强调了将计算模型、人格维度等新方法应用在社会与人格心理学研究中的重要性。

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22

人脑中序列结构对工作记忆存储的重组织

2021年7月26日，北京大学心理与认知科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在eLife 上发表题为“Sequence structure organizes items in varied latent states of working memory neural network”的论文。

该课题组采用具有高时间分辨率的脑磁图 (MEG)成像技术结合神经编解码，发现处于不同序列位置的记忆内容被存储在神经网络中的不同“隐藏态”中。该研究揭示了序列结构作为一种基本和重要的信息组织形式，改变和重塑了记忆内容在人脑中的存储形式。

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脑神经振荡相位在自下而上特征注意中的重要作用

2021年8月19日，北京大学心理与认知科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所罗欢课题组在Cerebral Cortex 上发表了题为 “Alpha-Band Phase Modulates Bottom-up Feature Processing” 的研究文章。

课题组设计了一种新颖的自下而上的特征加工任务，通过结合高时间分辨率的行为采样和脑电记录探究特征加工的动态节律过程，发现表明alpha频段神经振荡采用不同相位分别对高显著性和低显著性的特征信息进行选择性加工。该研究支持了注意过程的节律性和动态性，体现了大脑利用时间维度在视觉信息加工中的“时分复用”机制。

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神经精神疾病患者更易感染新冠肺炎，且重症病例及死亡等不良结局风险也增加

2021年9月7日，北京大学第六医院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所陆林院士团队在《柳叶刀》子刊Eclinical Medicine 刊登了题为“Mental and neurological disorders and risk of COVID-19 susceptibility, illness severity and mortality: A systematic review, meta-analysis and call for action”的最新研究。

该研究通过系统综述和荟萃分析，全面揭示了精神和神经疾病与新冠肺炎易感性、严重程度和死亡风险之间的关系。发现在新冠感染前，患有神经精神疾病的人群会增加感染新冠肺炎的风险，精神疾病人群相比于普通人群，感染新冠的风险增加67%，而痴呆等神经疾病患者相比于普通人群感染新冠的风险增加1倍。

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沉没成本效应的认知神经机制

2021年9月23日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、心理与认知科学学院李健课题组，在Progress in Neurobiology 发表了题为“Sunk cost effects hinge on the neural recalibration of reference points in mental accounting”的论文。

该课题组从认知神经科学的角度考察了沉没成本效应的机制。该研究基于心理账户（mental accounting）理论，提出了一个全新的计算模型，首次容纳解释了人群中从承诺升级到承诺降级的沉没成本效应的个体差异，并获得了神经层面的证据支持。

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苍蝇为什么难打的神经机制找到了

2021年举办的人工智能顶会NeurIPS上，吴思课题组申报了一篇题为“Noisy Adaptation Generates Lévy Flights in Attractor Neural Networks” 的文章，介绍了大脑产生莱维飞行的神经计算机制。目前文章已被接收。

该研究发现通过神经元发放频率适应（spike frequency adaptation）这样一种内在而简单的机制，在连续吸引子网络模型中产生了莱维飞行。该研究透彻地解释了产生莱维飞行背后地动力学过程，而且刻画了产生不同动态模式（诸如莱维飞行，布朗运动以及运动波等）下的参数区间。

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磁共振成像技术揭示神经调控手术治疗强迫症的脑网络机制

2021年10月26日，北京大学IDG麦戈文脑科学研究所、北京大学心理与认知科学学院王征在Molecular Psychiatry 在线发表题为“Common and differential connectivity profiles of deep brain stimulation and capsulotomy in refractory obsessive-compulsive disorder”的研究论文。

报道两种神经调控手术干预难治性强迫症的脑网络模式调控的异同，发现了DBS和毁损术这两种不同的神经调控手术共有的脑网络调节效果：减弱皮层-皮层下网络通讯的同时增强了皮层-皮层间的网络通讯。为个体化术前治疗方式筛选、术后康复评估提供影像学依据。

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新型荧光探针用于检测内源大麻素的时空动态变化

2021年11月11日，北京大学生命科学学院、北京大学IDG麦戈文脑科学研究所李毓龙实验室在Nature Biotechnology 杂志在线发表了题为 “A fluorescent sensor for spatiotemporally resolved imaging of endocannabinoid dynamics in vivo” 的研究论文。

该文章报道了新型基因编码的内源大麻素探针GRABeCB2.0的开发和在体内外多种场景下的应用。李毓龙实验室自2018年以来，先后开发了针对乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、腺苷、五羟色胺等神经递质/调质的荧光探针，此次发表的GRABeCB2.0是其又一力作，进一步扩展了GRAB系列荧光探针家族。

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计算超分辨图像重建算法，稳定提升荧光显微镜2倍分辨率

2021年11月16日，北京大学陈良怡教授团队和哈尔滨工业大学李浩宇教授团队合作在Nature Biotechnology 上发表题为“Sparse deconvolution improves the resolution of live-cell super-resolution fluorescence microscopy”的论文。

课题组发明基于新计算原理的荧光超分辨率显微成像，进一步拓展荧光显微镜的分辨率极限。通过提出“荧光图像的分辨率提高等价于图像的相对稀疏性增加”这个通用先验知识，结合之前提出的信号空时连续性先验知识，他们发明了稀疏解卷积（Sparse deconvolution）方法，突破现有荧光显微系统的光学硬件限制，首次实现通用计算荧光超分辨率成像。结合自主研发的超分辨率结构光（SIM）系统，实现目前活细胞光学成像中最高空间分辨率（60nm）下，速度最快（564Hz）、成像时间最长（1小时以上）的超分辨成像。结合商业的转盘共聚焦结构光显微镜，实现四色、三维、长时间的活细胞超分辨成像。

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Neuron：又有新探针——李毓龙实验室开发GRAB荧光新探针！

北京时间2021年12月23日凌晨0时，北京大学李毓龙实验室在Neuron杂志在线发表了题为A sensitive GRAB sensor for detecting extracellular ATP in vitro and in vivo的研究论文，报道了新型基因编码的ATP探针GRABATP1.0的开发和在体外及活体动物的应用。李毓龙实验室自2018年以来，先后开发了针对乙酰胆碱、多巴胺、去甲肾上腺素、腺苷、五羟色胺、内源大麻素等神经递质或调质的荧光探针，此次发表的GRABATP1.0是其又一力作，进一步扩展了GRAB系列荧光探针家族。

在这项工作中作者开发了新型遗传编码的ATP荧光探针，实现了对胞外ATP的高时空分辨率的记录。在此之前，李毓龙课题组在2020年还开发了另外一种嘌呤类递质腺苷的GRAB荧光探针，并助力中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心徐敏团队在睡眠调控中的研究。相信一系列新型成像工具的开发，将助力科学家更加深入地研究嘌呤能信号传递在生理和病理条件下的功能和调控机理。

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文章来源：北京大学IDG麦戈文脑科学研究院官微

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