脑科学与AI领域最新突破：从迷你大脑模型到渐冻症基因疗法
脑科学与AI领域最新突破：从迷你大脑模型到渐冻症基因疗法
脑科学动态
借助迷你大脑模型找到治疗路易体痴呆症的新希望
路易体痴呆症（Lewy body dementia，LBD）是一种难以诊断的神经退行性疾病，常伴随幻觉、运动障碍、认知问题和抑郁等症状。梅奥诊所的研究团队，主要由神经科学家Na Zhao带领，通过创建迷你大脑模型，探索LBD的发病机制和潜在治疗方案。这些类器官模型通过患者捐赠的皮肤细胞培养而成，模拟了LBD患者大脑的病变。
研究人员利用LBD患者皮肤细胞转化为干细胞，开发了携带SNCA基因三倍体的迷你大脑模型，并通过单细胞RNA测序技术检测这些类器官中的遗传物质。研究发现，SNCA基因表达增加的兴奋性神经元中存在严重的突触和线粒体功能障碍，这与尸检证实的LBD患者大脑中的观察结果一致。为进一步寻找潜在的治疗药物，研究人员筛选了1280种FDA批准的药物，最终发现四种候选药物，包括恩他卡朋（entacapone）、托卡朋（tolcapone）、盐酸非那吡啶（phenazopyridine hydrochloride）和扎西他滨（zalcitabine）。这些药物被证明可以抑制α-突触核蛋白（α-SYN）的聚集，并改善神经元中的线粒体功能。这些研究结果为未来LBD及相关痴呆症的治疗带来了新的可能性。研究发表在 Science Advances 上。
单步扩展技术实现纳米级成像，降低高分辨率显微成本
麻省理工学院的研究团队开发了一种新型膨胀显微镜技术，旨在帮助无法负担昂贵超分辨率显微镜的实验室实现纳米级成像。这项研究由神经技术教授Edward Boyden和化学教授Laura Kiessling领导。
传统的纳米成像技术依赖于昂贵的超分辨率显微镜，而麻省理工的团队通过膨胀显微镜（Expansion Microscopy，ExM）提出了一种简化的20倍组织扩展方法（20ExM）。这一技术仅需单步即可将组织扩展20倍，从而利用常规光学显微镜达到小于20纳米的分辨率，足以观测到微管、线粒体等细胞结构，以及蛋白质簇。
实验方案的核心是使用由N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）和丙烯酸钠组成的凝胶，该凝胶具备极强的吸水性和机械稳定性。与之前的二次扩展技术相比，单步扩展大大简化了操作过程。此外，研究人员通过去氧处理提高了凝胶的稳定性和扩展效果。该技术尤其适用于脑组织的高分辨率成像，并在未来可望广泛应用于癌症、神经系统疾病的研究中。此项技术不仅降低了成像设备的成本，还为科学家们提供了更便捷的纳米级研究工具。研究成果发表在 Nature Methods 期刊上。
迷走神经刺激增强小鼠感知学习能力
纽约大学医学院的研究团队通过研究迷走神经刺激（VNS），探讨其对小鼠神经活动和感知学习的影响。迷走神经是人体最长的脑神经，负责心率、消化等关键生理过程。先前的研究已经表明，VNS 能增强大脑可塑性，从而可能促进感知学习。
该研究开发了一项听觉辨别任务，研究 VNS 对小鼠感知学习的影响。研究人员在小鼠身上植入了微型VNS电极，并通过训练任务让小鼠根据不同音调做出舔食反应。实验过程中，VNS逐渐提高了小鼠的辨别能力，特别是在区分相近音调的任务上表现显著优于对照组。
通过双光子成像，研究发现 VNS 诱导了小鼠听觉皮层反应的变化，并激活了皮层投射的胆碱能轴突（cholinergic axons，一种帮助神经元沟通并调节大脑功能的神经纤维）。进一步的解剖学和光遗传学实验表明，VNS 通过激活中枢胆碱能系统（central cholinergic system，使用乙酰胆碱与其他神经元交流的神经网络）来增强小鼠的任务表现。
研究结果显示，VNS 能够在几周的时间内，通过每日训练和刺激，使小鼠在最具挑战性的任务上取得持久的改善。这项研究为未来 VNS 在临床上的应用，例如提升人工耳蜗患者的使用效果，提供了新思路。研究发表在 Nature Neuroscience 上。
小脑在长期运动技能记忆中的关键作用
哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院的研究团队，包括Maurice Smith教授和Alkis Hadjiosif博士后，揭示了小脑在运动技能长期记忆中的关键作用。此前，神经科学家已知内侧颞叶损伤会影响长期陈述性记忆，但对运动技能记忆的影响尚不明确。该研究进一步阐明了大脑不同区域对短期和长期记忆的分工。
研究团队通过对患有小脑性共济失调（cerebellar degeneration）的患者进行实验，深入分析了他们在感觉运动学习过程中的记忆表现。研究将记忆分为短期的“暂时易失性”记忆（temporally-volatile memory），该记忆在15至20秒内迅速消退，不会形成长期记忆；以及长期的“暂时持续性”记忆（temporally-persistent memory），这种记忆可稳定60秒以上，并形成长期记忆。
结果显示，患者在短时间间隔内表现正常，但当时间间隔增加到25秒以上时，记忆形成能力显著受损。这一研究证明了小脑在长期感觉运动记忆形成中的独特作用，与短期记忆系统相对独立。研究结果不仅解释了此前小脑损伤对学习能力影响的差异，也为理解记忆的神经机制提供了新的视角。该研究发表在 PNAS 上。
磁电纳米圆盘实现非侵入性远程神经刺激
深部脑刺激（DBS）是治疗帕金森病和强迫症等神经疾病的常用方法，但由于其侵入性和手术难度，应用范围受到限制。麻省理工学院的 Polina Anikeeva 教授团队，致力于寻找一种无需植入电极的替代方案。他们在材料科学、脑与认知科学等多个领域的跨学科合作下，开发了磁电纳米圆盘（MENDs），为远程神经刺激提供了新的可能性。
研究团队合成了具有核-双壳结构的磁电纳米圆盘（MENDs），其中包含 Fe3O4、CoFe2O4 和 BaTiO3 材料，直径为250纳米，厚度为50纳米。实验表明，尽管单个圆盘的电位低于神经元的兴奋阈值，但通过重复亚阈下去极化的方式，MENDs 仍能在体外的神经元实验中实现远程磁场刺激。在小鼠实验中，研究人员将 MENDs 注射到小鼠大脑中的特定区域，如腹侧被盖区和丘脑底核，分别成功地控制了小鼠的奖励和运动行为。这些结果表明，该技术在临床应用中有望替代传统的深部脑刺激，为治疗神经和精神疾病提供了更安全、非侵入性的选择。研究发表在 Nature Nanotechnology 上。
人类特异性基因揭示大脑发育与神经发育障碍的关联
人类大脑的发育与其他哺乳动物不同，具有长期性的特点，这种延迟的突触成熟被认为与高级认知能力的形成有关。然而，研究人员也推测，大脑发育过程中的异常可能与智力障碍和孤独症等神经发育障碍相关。由 VIB-KU Leuven 的 Pierre Vanderhaeghen 教授领导的研究团队，与哥伦比亚大学和巴黎高等师范学院的科学家共同合作，揭示了人类大脑发育的分子机制以及它们与神经发育障碍的联系。
研究团队通过关闭人类特异性基因 SRGAP2B 和 SRGAP2C，在小鼠大脑中移植了人类神经元，并进行长达 18 个月的突触发育监测。结果显示，当关闭这些基因时，神经元的突触发育显著加快，类似于 5-10 岁儿童的突触特征。此外，研究还发现 SRGAP2B 和 SRGAP2C 通过增加 SYNGAP1（智力障碍和孤独症谱系障碍相关基因）在突触中的水平，来减缓突触成熟的速度。研究表明，SRGAP2A（突触基因）和 SYNGAP1 之间的拮抗作用决定了突触发育的节奏，而 SRGAP2B 和 SRGAP2C 则通过干预这种关系，保持人类大脑的长期发育。这一发现为理解神经发育障碍的发病机制提供了重要线索。该研究发表在 Neuron 上。
新的行为特征可以量化特定人际关系的社会价值
加州大学洛杉矶分校的 João F. Guassi Moreira 和 Carolyn Parkinson 团队在研究中发现了一种新的行为特征，能够量化人们赋予特定人际关系的价值。此前，心理学界很少具体讨论人们如何衡量人际关系中的社会价值，而这一发现为理解人们在社会决策中的行为提供了新的研究方法。
研究人员设计了一种实验方法来捕捉个人在面对有限资源时对社会行为的优先选择，结合经济学中的机会成本（opportunity cost）概念，通过分析1111名参与者的社交行为，得出了行为特征的权重。他们将这些行为特征应用于特定的人际关系（如父母、朋友和熟人），并发现这些特征能够反映社会价值的不同表现形式。研究结果表明，社会价值得分不仅与关系的质量相关，还能够预测参与者在不同任务中的决策偏好。该研究通过对社会价值的行为标志进行量化，为心理学领域提供了更精确的研究工具。研究发表在 Communications Psychology 上。
AI行业动态
全球首款渐冻症基因疗法在中国获批上市
近日，渤健生物科技（上海）有限公司生产的创新药物托夫生注射液（Tofersen）正式获批在中国上市。该药物主要用于治疗携带超氧化物歧化酶1（SOD1，Superoxide Dismutase 1，一种与神经退行性疾病相关的基因突变）基因突变的渐冻症（ALS，肌萎缩侧索硬化）成人患者。这标志着全球首款针对渐冻症的基因靶向疗法正式进入中国市场。
ALS是一种致命的神经退行性疾病，患者通常在确诊后仅能生存3-5年，症状包括肌肉无力、萎缩，最终因呼吸衰竭死亡。在所有ALS患者中，携带SOD1基因突变的患者约占2%。尽管目前国内已有利鲁唑和依达拉奉等药物，但其效果有限，无法显著延缓病情进展。托夫生注射液通过反义寡核苷酸（ASO，Antisense Oligonucleotide，一种能够靶向特定基因进行治疗的分子技术）技术抑制SOD1基因的表达，从源头上减少SOD1蛋白的生成，填补了现有治疗手段的空白。
中国是ALS患者数量最多的国家之一，有超过4万名患者，其中携带SOD1基因突变的患者超过1200人。托夫生注射液的上市，为这类患者带来了新的治疗希望。