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重大突破:港大解开大脑谜团,发现海马体新功能,洞悉脑疾病成因
李明 2017-09-20
导语

研究结果推翻了过往认为海马体只是被动脑组织的看法,直指海马体有着大脑心脏,主导大脑皮层在感知等多方面的表现的重要功能,为了解大脑如何运作的研究带来重大突破。

图:(左起)陈维达博士,吴学奎教授和梁子伦博士

由香港大学电机电子工程系林护基金教授,生物医学工程首席教授吴学奎带领的研究团队在神经科学领域取得重大突破,揭示大脑中一个重要区域 - 海马体的新功能。研究成果刚于2017年8月在国际权威学术期刊“美国国家科学院院刊”(PNAS)发表。

海马体位于大脑皮层下方,是组成大脑边缘系统的一个重要部分。人有两个海马体,分别位于左右脑半球,名字来源于这个部位的弯曲形状貌似海马。

海马体占据大脑的空间比例很小,过往的研究认为,海马体的功能主要是记忆和空间定位导航。

相对于海马体,大脑皮层是哺乳类动物中最大的大脑结构,在记忆,认知,感知,注意,察觉,思考,语言和意识等功能中发挥着关键作用。


海马体一直被认为功能相对被动,以日常生活中记忆为例,海马体负责短暂记忆储存,重复的记忆片段会被转存入大脑皮层,成为永久记忆。

海马体在空间定位导航方面,扮演着“认知地图”(认知图),“寻找方向”等(导航)的角色,例如记住曾经去过的地方,以及如何前往想去的地点,在熟悉的环境之间找出捷径,以及新的路线等。

由于海马体在记忆和空间定位导航有重要作用,海马体受损,会导致一些早期症状包括短期记忆力衰退和定向障碍。认知障碍症(前称老年痴呆症)和其他形式的痴呆症(失智症)已证明会影响和破坏大脑中这一区域的功能。海马体也和其他疾病如癫痫症,精神分裂症,短暂性整体遗忘症和创伤后压力症等有很紧密的关连。

科学家对海马体在大脑网路中的角色尚未充分了解,它与大脑内其它功能区域,尤其是大脑皮层如何互相影响联系达至发挥功能,一直是科学家的谜团。

由吴教授领导的研究团队,成员包括陈维达博士,梁子伦博士和其他研究员,他们利用前沿的光遗传学激活技术,配合药理学抑制技术和功能核磁共振成像技术,研究静息态的大脑活动(即在没有特别外在刺激下的脑活动形态),是国际间能够成熟运用有关尖端科技,探索及建构大脑活动功能网路的动态特性的极少数研究团队之一。

研究团队在啮齿类动物(大鼠)实验揭示,以低频活动*刺激海马体,能够激活跨大脑皮层(左右脑)区域的功能性连接,提升大脑皮层的功能活动,达到增强感知反应包括视力,听力和触觉等感官,提升幅度可达百分之二十,且有持续性效果。换句话说,海马体中的低频活动,能够驱动大脑皮层中不同脑区之间的功能性联合,增强视力,听力和触觉等。这跟以往一直以为海马体在大脑皮层活动只扮演被动角色,是突破性的发现。

此外,在低频活动刺激下,海马体本身的记忆和定位导航功能也有类似的提升。


吴教授指出,今次是对大脑功能的一项突破性发现,他说:「研究结果推翻了过往认为海马体只是被动脑组织的看法,直指海马体有着大脑心脏,主导大脑皮层在感知等多方面的表现的重要功能,为了解大脑如何运作的研究带来重大突破。上述结果显示,用适当的低频活动刺激海马体,能提升大脑在的功能,有助增强学习和记忆能力」。

吴教授续说:「研究结果亦意味着对海马体进行神经调节,有着临床治疗认知障碍症的潜在价值;并预示了静息态脑功能核磁共振成像和神经调节技术,极具潜力应用于早期诊断一些大脑疾病,包括认知障碍症,痴呆症,癫痫,精神分裂症,短暂性整体遗忘症和创伤后压力症等,以及提供突破性的治疗方案。

今年是吴教授的研究团队,继于2016年12月在“美国国家科学院院刊”(PNAS)发表有关丘脑(另一个和大脑皮层高度连接的脑区)的功能后的另一个突破性发现。团队的研究发现,丘脑不仅仅是人们原先认为的一个被动信息转接区,而是能够发起不同频率的跨脑区神经交互活动的大脑结构。

二十一世纪神经科学研究的重大挑战,是对大规模全脑交互,尤其是产生功能和行为的神经活动模式建立一个综合性理解,破解大脑实现思想,情绪,感知,行动和记忆等功能,其背后的网络如何配合运作的大量的未知领域。在2010年,美国国家卫生研究院推出「人脑连接组计划」,旨在「提供无与伦比的神经数据汇编,图形化导航这一数据的界面,以及从未实现人类大脑活动的结论的机会“。2013年,美国奥巴马政府启动”BRAIN计划“,旨在”加速新技术的开发和应用,使研究人员能够与思想的速度同步,捕捉大脑活动的动态图像,以了解个别脑细胞和复杂的神经回路间的互动情况」2016年11月,中国启动「中国脑计划」,旨在「促进对负责认知的基础神经回路机制进行研究,以期改善脑疾病的诊断和治疗,促进及启发大脑智能技术的发展」。

低频活动经常出现在与学习和记忆相关的慢波睡眠期,慢波睡眠期是形容人类在睡眠间数次进入的一种深度睡眠状态。

文章链接:

Russell W. Chan, et al, "Low-frequency hippocampal–cortical activity drives brain-wide resting-state functional MRI connectivity," PNAS, 2017, 114(33):E6972–E6981, doi: 10.1073/pnas.1703309114

(本文来源:香港大学新闻网;)

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作者 李明

博士生

北京航空航天大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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