整理:存源、一木、雨飞
排版:张心雨桐
图源:zaoeyo
在人类文明的进程中,我们不断追问:思维的本质是什么?意识从何而来?情绪如何影响身体?记忆又是如何储存的?
2024年,脑科学领域的十项重大突破,为这些永恒的问题带来了令人振奋的新答案:从颠覆性地发现语言可能并非思维的必要工具,到首次揭示压力如何通过精密的神经网络重塑肠道微生物群;从绘制出首个完整的果蝇脑连接图谱,到观察到人类临终前大脑的神经活动模式——这些突破不仅拓展了我们对大脑的认知边界,更深刻地改变着我们理解自身的方式。
特别值得关注的是,这些研究展现出脑科学正在经历范式转变:我们不再将大脑视为独立的器官,而是将其置于身体-环境的复杂网络中;不再局限于神经元的电活动,而是发现非神经细胞也具有"学习记忆"能力;不再把意识视为非此即彼的状态,而是揭示出其丰富的层次性。这些认知的革新,正在重塑我们对心智、意识和人性的理解。
在人工智能快速发展的今天,这些发现也为我们提供了深刻的启示:人类大脑的工作原理远比我们想象的更加精妙。通过解码这些自然智能的奥秘,我们不仅能够更好地治疗神经精神疾病,也能为下一代人工智能的发展提供全新的思路。让我们一起走进2024年脑科学研究的前沿,探索这些改变我们认知的重大发现。
DNA感知受体TLR9通路形成记忆组件
▷相关论文:Jovasevic V, Wood EM, Cicvaric A, Zhang H, et al. Formation of memory assemblies through the DNA-sensing TLR9 pathway. Nature. 2024. doi:10.1038/s41586-024-07220-7
记忆形成的神经生物学机制一直是神经科学研究的核心问题。虽然已知海马神经元在编码信息时会发生分子和细胞层面的适应,但哪些信号通路决定了特定神经元被招募进记忆回路,仍未被完全理解。DNA损伤与修复是否在这一过程中发挥关键作用?
近期,Vladimir Jovasevic领导阿尔伯特·爱因斯坦医学院研究团队在《自然》(Nature)杂志发表了一项研究,探讨了DNA感知受体TLR9在记忆形成中的关键作用。他们发现,在小鼠学习数小时后,海马CA1区部分兴奋性神经元出现了双链DNA断裂、核膜破裂以及组蛋白和DNA片段的释放。这些事件激活了TLR9信号通路,促进了DNA损伤修复和记忆组件的形成。通过特异性敲低神经元中的Tlr9基因,研究者发现小鼠的记忆能力受到了损害,进一步验证了DNA损伤修复在记忆形成中的关键作用。
▷来源:MIT News
影响力分析:
>>理论创新:
揭示了DNA损伤与修复在记忆形成中的核心作用,拓宽了对记忆机制和神经可塑性的理解;
>>范式更新:
强调了非典型的细胞过程(如DNA损伤修复)在神经功能中的重要性,推动了跨领域研究;
>>应用潜力:
为开发基于DNA修复机制的认知增强和神经退行性疾病治疗策略提供了新证据。
压力敏感的神经回路
通过十二指肠腺体改变肠道微生物群
▷相关论文:Chang, C. et al. Stress-sensitive neural circuits change the gut microbiome via duodenal glands. Cell 187, 1–18 (2024).
doi:10.1016/j.cell.2024.07.019
压力对肠道菌群的破坏及其引发的免疫失调已被广泛观察,但其背后的神经调控机制长期未被阐明。神经调控是如何影响肠道菌群以应对压力的?
美国研究团队在《细胞》(Cell)发表的研究中,揭示了十二指肠布鲁纳腺(Brunner’s glands)作为大脑与肠道微生物组的关键纽带。研究人员发现,前脑的杏仁核中央区通过一条复杂的迷走神经通路连接至布鲁纳腺——这种腺体在迷走神经激活时会分泌特定物质,促进肠道乳酸菌(Lactobacillus)的富集。当小鼠暴露于慢性压力时,杏仁核活动受抑,布鲁纳腺功能下降,导致乳酸菌水平显著减少,宿主对病原体的抵抗力随之减弱。通过光遗传学人工激活杏仁核或迷走神经,可逆转压力效应,恢复乳酸菌丰度并增强免疫防御。进一步实验证实,基因敲除布鲁纳腺的小鼠即使无压力刺激,仍表现出菌群失衡与感染易感性,直接证明腺体在菌群调控中的核心作用。这一发现不仅解析了“压力-脑-菌群”轴的神经生物学基础,还为治疗肠易激综合征、自身免疫病等压力相关疾病提供了新思路——通过靶向神经通路或布鲁纳腺功能,重塑肠道微生态平衡以增强宿主防御。
▷Cell封面:聚焦微生物. 来源:Cell
影响力分析:
>>理论突破:
首次解析压力通过脑-迷走神经-布鲁纳腺轴调控菌群的完整通路,为脑肠轴研究提供新范式;
>>临床价值:
为压力相关疾病(如肠易激综合征、自身免疫病)的治疗提供潜在靶点(如靶向布鲁纳腺或迷走神经刺激);
>>技术启示:
开发神经调控或微生物组干预策略,增强宿主免疫防御能力。
语言主要是沟通而非思维的工具
▷相关论文:Fedorenko, E., Piantadosi, S. T. & Gibson, E. A. F. Language is primarily a tool for communication rather than thought. Nature 630, 107–114 (2024). doi:10.1038/s41586-024-07522-w
语言被视为人类的标志性特征,但其核心功能长期存在争议——是服务于思维,还是专精于交流?或者说,语言的核心功能是促进交流还是驱动思维?
麻省理工学院团队在《自然》(Nature)发表的研究中,通过神经影像学与认知实验揭示了语言的本质。研究人员利用功能磁共振成像(fMRI)观察受试者在语言任务(如阅读)与非语言任务(如空间推理)中的大脑活动,发现语言处理区域(如布罗卡区、韦尼克区)仅在语言任务中显著激活,而在非语言思维任务中保持静默。进一步分析表明,语言区域的活动与抽象思维(如数学推理、逻辑判断)无直接关联。研究还指出,语言的结构特性(如语法效率、词汇歧义容忍度)更适配信息传递需求,而非内部认知优化。例如,手语使用者在失去语言能力后仍保留完整的逻辑推理能力,佐证了思维可独立于语言存在。
▷语言、推理、意识分属不同脑区. 来源:Nature
影响力分析:
>>理论革新:
挑战“语言是思维媒介”的传统范式,提出语言只是思维的外显工具而非内在驱动力;
>>跨学科启示:
为人工智能领域提供新视角,如将语言模型与推理模块分离的解构设计;
>>临床意义:
重新解读语言障碍(如失语症)患者的认知保留现象,优化康复策略。
成年果蝇大脑神经连接图谱
▷相关论文:Winding, M. et al. Neuronal wiring diagram of an adult brain. Nature 630, 118–126 (2024). doi:10.1038/s41586-024-07558-y
尽管神经科学领域已对局部脑区连接进行了深入研究,但全局视角的神经连接图谱仍属空白。那么,完整的神经连接图谱如何推动对大脑功能与疾病机制的理解?
美国国家卫生研究院与普林斯顿大学团队在《自然》(Nature)发表的研究中,利用电子显微镜成像与自动化算法,首次绘制了成年果蝇全脑的神经连接图谱,涵盖近14万个神经元及5×10⁷突触的精确连接。该图谱不仅标注了神经元类型、神经递质(如多巴胺、血清素)分布,还揭示了脑区间复杂的信号传递路径(如感光信号如何通过多级突触传递至运动中枢)。研究进一步开发了开源平台,支持数据的交互式分析与跨物种整合。这一成果为解析行为调控的神经基础(如学习、决策)提供了结构框架,并为探索人类神经退行性疾病的连接异常提供了新工具。
▷成年果蝇全脑的神经连接图谱. 图源:flywire.ai
学术影响:
>>科学突破:
首次实现全脑神经连接图谱,填补从突触到行为研究的“中间缺失环节”;
>>技术革新:
自动化成像与计算流程为绘制更复杂大脑(如小鼠、人类)的连接组奠定方法学基础;
>>医学应用:
通过对比健康与疾病模型的连接差异,助力阿尔茨海默病、帕金森病等机制研究;
>>资源共享:
开源数据平台推动全球合作,加速脑科学向精准医学与类脑智能的转化。
神经元动态调控脑脊液灌注和大脑清除
▷相关论文:Kipnis, J. et al. Neuronal dynamics direct cerebrospinal fluid perfusion and brain clearance. Nature 627, 122–129 (2024). doi:10.1038/s41586-024-07108-6
大脑代谢废物的堆积是神经退行性疾病的关键诱因,但其清除机制长期未被完全阐明。Kipnis等人希望通过研究回答这样一个问题:大脑如何清除代谢废物?
华盛顿大学医学院团队在《自然》(Nature)发表的研究中,揭示了神经元活动通过同步化动作电位驱动脑脊液(CSF)流动的核心机制。研究发现,神经元网络的同步放电可产生大振幅、节律性的离子波,推动脑间质液(ISF)形成自持性振荡。这种离子波通过增强类淋巴系统(glymphatic system)的流动效率,促进脑脊液对脑实质的灌注及代谢废物(如异常蛋白)的清除。实验表明,化学遗传学抑制神经元的高能离子波会显著降低脑脊液流动与废物清除效率;反之,通过光遗传学刺激合成的跨颅脑波可大幅提升脑脊液-间质液交换速率。研究进一步发现,睡眠期间的高振幅脑波可能是清除效率的关键调控因素。
▷健康人与AD患者脑中的γ节律差异。图源:https://brainhealth.org.uk/?p=624
学术影响:
>>机制解析:
首次明确脑细胞活动与废物清除的直接关联,挑战传统“被动清除”理论;
>>疾病干预:
为阿尔茨海默病等疾病提供新治疗思路,如通过增强睡眠脑波提升清洁效率;
>>技术应用:
光遗传调控脑波或成为神经退行性疾病的创新疗法。
人类非神经细胞的集中-间隔学习效应
▷相关论文:Kukushkin, N. V. et al. The massed-spaced learning effect in non-neural human cells. Nat. Commun. 15, 9635 (2024). doi:10.1038/s41467-024-53922-x
记忆形成一直被认为是大脑独有的功能,依赖于神经元的突触可塑性和神经回路。但你有没有想过,非神经细胞是否具备类似神经系统的学习与记忆能力?
纽约大学团队在《自然-通讯》(Nature Communications)的研究中首次揭示了非神经细胞(如肾细胞)的“集中-间隔学习效应”(Massed-Spaced Learning Effect),即在时间间隔内重复施加刺激会增强学习和记忆效应。研究通过毛喉素(forskolin)和佛波酯(phorbol ester)的脉冲刺激模拟学习过程,发现间隔性刺激(四次脉冲间隔10分钟)比集中刺激诱导的荧光素酶表达强1.4倍且持续超24小时,这一过程依赖记忆关键分子ERK和CREB的激活。该效应在神经与非神经细胞中均存在,表明记忆能力可能源于细胞信号网络的普适动力学特性,而非神经系统的独有功能。
▷图源:MIT.edu
学术影响:
>>理论突破:
扩展记忆的生物学边界,提出“细胞层级记忆”假说;
>>医学潜力:
为记忆相关疾病(如阿尔茨海默病)提供非神经靶向治疗新思路;
>>技术应用:
建立细胞记忆模型,助力药物开发与毒性评估。
在纳米尺度分辨率下重建人类大脑皮层
▷相关论文:Shapson-Coe, A. et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution. Science 384, eadk4858 (2024). doi:10.1126/science.adk4858
人类大脑皮层的精细结构与突触连接模式是理解认知功能的关键,但受限于传统成像技术的分辨率与数据规模,其超微结构细节长期未被完整揭示。那么,通过纳米级分辨率成像技术,是否可以解析人类大脑皮层的超微结构与突触连接性?
谷歌与哈佛大学Lichtman实验室合作在《科学》(Science)发表的研究中,利用连续切片电子显微镜(4 nm分辨率)对癫痫手术中获取的1立方毫米人类颞叶皮层样本进行成像,并通过自动化计算技术重建出迄今最大规模的脑超微结构数据集(H01,1.4 PB)。该数据集涵盖约5.7万个细胞、230毫米血管及1.5亿个突触,首次实现跨皮层全层的突触连接性解析。研究发现,神经胶质细胞与神经元的比例为2:1,其中少突胶质细胞占比最高;深层兴奋性神经元可根据树突取向分为功能亚型,且每个神经元在接收数千弱连接的同时存在少数“强效输入”(单轴突含多达50个突触),提示神经信息处理的层级放大机制。研究团队克服了脑组织样本易退化、成像数据量庞大等技术瓶颈,为神经环路研究提供了首个纳米级“结构-功能”图谱,相关数据已开源共享。
▷兴奋性神经元染色(6层). 图源:哈佛大学 Google Research 和 Lichtman 实验室
学术影响:
>>理论突破:
挑战传统脑图谱的宏观尺度局限,揭示突触层级的连接异质性,为神经编码理论提供结构依据;
>>技术革新:
4nm分辨率连续切片电镜与AI驱动的自动化注释技术(Serial EM),树立超大规模生物成像新标杆;
>>技术共享:
H01数据集开源将加速脑疾病机制研究(如癫痫、精神分裂症)与类脑计算模型开发。
裸盖菇素使人类大脑去同步化
▷相关论文:Dosenbach, N. U. F. et al. Psilocybin desynchronizes the human brain. Nature 630, 1020–1028 (2024). doi:10.1038/s41586-024-07624-5
裸盖菇素(Psilocybin)作为一种具有快速抗抑郁潜力的致幻剂,其通过干扰大脑网络同步性促进神经可塑性的机制尚不明确。它是如何通过调控大脑网络同步性产生快速且持久的治疗效果的?
圣路易斯华盛顿大学医学院团队在《自然》(Nature)发表的研究中,利用纵向精准功能映射技术(平均每位健康受试者接受18次MRI扫描),系统追踪了高剂量裸盖菇素(25mg)和对照药物哌甲酯(40mg)对大脑功能连接的急性与长期影响。研究发现,裸盖菇素可引发全脑范围的剧烈去同步化:皮层与皮层下区域的功能连接性在急性期出现超过三倍于对照药物的紊乱,表现为网络内部相关性降低和网络间反相关性减弱。其中,默认模式网络(DMN)——尤其是与前海马体连接的节点——的同步性崩溃最为显著,且与受试者的时空感知扭曲、自我解离等主观迷幻体验直接相关。值得注意的是,前海马体与DMN的功能连接性降低可持续数周,并与动物模型中观察到的神经可塑性增强现象相呼应。这一发现为裸盖菇素的治疗效果提供了潜在的神经机制解释。
▷图源:SciTechDaily.com
影响:
>>机制解析:
提出“去同步化-再同步化”模型,阐明迷幻剂通过打破固有网络僵化状态促进大脑重塑的路径;
>>临床转化:
DMN与前海马体的连接强度或成为抑郁症、成瘾等疾病的生物标志物及治疗靶点;
>>方法革新:
个体化纵向功能映射技术为精神药物开发提供了高时间分辨率的评估框架。
临终人类大脑中
伽马振荡的神经生理耦合与连接性激增
▷相关论文:Borjigin, J. et al. Surge of neurophysiological coupling and connectivity of gamma oscillations in the dying human brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 120, e2216268120 (2023). doi:10.1073/pnas.2216268120
传统观点认为,心脏骤停期间的大脑活动处于深度抑制状态,但在研究人类临终时大脑的神经活动如何变化时,有人提出了新观点。
美国密歇根大学Jimo Borjigin团队在《美国国家科学院院刊》(PNAS)发表的研究中,通过分析四名心脏骤停患者的脑电图(EEG)数据,揭示了临终大脑的神经活动复杂性。研究发现,在停止呼吸支持后,两名患者的γ频段(25-150Hz)脑电功率显著增强,最高达基线水平的3倍,同时伴随交叉频率耦合(如γ波与β波同步性增强)和半球间功能连接性的激增。这些活动主要集中在颞-顶-枕(TPO)交界区,该区域与意识整合、视觉空间感知及梦境生成密切相关。此外,伽马振荡(gamma oscillations)的增强与心脏功能恶化同步,提示缺氧可能驱动了神经网络的异常激活。值得注意的是,这种活动模式与健康人在回忆或梦境中的脑电特征相似,或为濒死体验中“人生回溯”现象提供了潜在的神经机制解释。
▷图源:Getty Images
影响:
>>理论革新:
挑战了“临终大脑静默”的传统假设,提出缺氧可能触发大脑的代偿性高活跃状态;
>>临床启示:
为濒死体验的神经基础研究开辟新路径,推动对隐蔽意识检测技术的开发;
>>技术突破:
高密度EEG与功能连接分析技术为极端生理状态下的大脑研究提供方法论范例。
人类怀孕过程中的神经解剖学变化
怀孕引发的激素与生理剧变对母体大脑的影响长期缺乏系统性研究。这引发了人们的好奇:怀孕期间人类大脑的神经解剖结构如何动态变化?
美国加州大学圣塔芭芭拉分校团队通过一项开创性纵向研究,首次利用高精度MRI技术追踪一名女性从孕前3周至产后2年的大脑结构动态变化(共26次扫描)。研究发现,怀孕期间大脑经历显著重构:灰质体积和皮层厚度广泛减少(覆盖80%的皮层区域,如前额叶与后顶叶),同时伴随白质微观结构完整性增强、脑室体积及脑脊液量增加。值得注意的是,部分灰质减少在产后两年仍未恢复,而白质变化在分娩后逐渐回归基线水平。研究进一步揭示,这些结构性改变与孕期雌二醇、孕酮等激素水平波动密切相关,提示其可能是母体大脑为适应育儿需求进行的“神经资源再分配”。该成果发表于《自然·神经科学》(Nature Neuroscience),并开源全部影像与激素数据集。
▷图源:Neuroscience News
影响:
>>理论革新:
挑战了“成年大脑结构稳定性”的传统观点,证实妊娠可驱动大规模神经可塑性;
>>临床价值:
为围产期抑郁、认知障碍等提供潜在神经标志物,助力早期干预策略开发;
>>资源共享:
首个妊娠全程脑影像数据集将加速母性脑保护机制的研究
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关于天桥脑科学研究院
天桥脑科学研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute)是由陈天桥、雒芊芊夫妇出资10亿美元创建的世界最大私人脑科学研究机构之一,围绕全球化、跨学科和青年科学家三大重点,支持脑科学研究,造福人类。
Chen Institute与华山医院、上海市精神卫生中心设立了应用神经技术前沿实验室、人工智能与精神健康前沿实验室;与加州理工学院合作成立了加州理工天桥神经科学研究院。