2021年北脑（青年）学者研究成果汇编-脑认知原理方向（2）
一、杜忆 | 研究员
· 中国科学院心理研究所 认知与发展心理学研究室
· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”
代表性成果一
精密计时经颅磁刺激研究为语音-手势跨模态语义整合的动态脑环路机制提供因果证据
2021年12月15日，中国科学院心理研究所杜忆研究员课题组在Journal of Neuroscience杂志发表了题为 “TMS reveals dynamic interaction between inferior frontal gyrus and posterior middle temporal gyrus in gesture-speech semantic integration” 的研究论文。
本研究通过使用精密计时（每40ms为一个时间窗）的双脉冲经颅磁刺激（double-pulse TMS）范式短暂、锁时地抑制左侧额下回（IFG，语义控制脑区）与左后侧颞中回（pMTG，多模态语义表征脑区）的神经活动，揭示了这两个脑区在语音与手势的跨通道语义整合过程中的时间动态性。结果发现，在词汇提取前的阶段，pMTG比IFG的参与更早（提示存在pMTG向IFG的前馈投射），在词汇提取后的阶段，IFG比pMTG的参与更早（提示存在IFG向pMTG的反馈投射）。本研究在国际上首次为多模态语义整合的动态脑环路机制提供了因果性证据，揭示了额叶语义控制系统与颞叶语义表征系统的动态交互过程。
文章链接：
https://www.jneurosci.org/content/41/50/10356
代表性成果二
多模态磁共振成像研究揭示音乐训练经验对言语知觉的神经可塑性机制
2021年5月26日，中国科学院心理研究所杜忆研究员课题组在Cerebral Cortex杂志发表了题为 “The Microstructural Plasticity of the Arcuate Fasciculus Undergirds Improved Speech in Noise Perception in Musicians” 的研究论文。
本研究结合扩散张量成像DTI和功能磁共振成像fMRI技术，针对与语音感觉运动整合功能有关的言语加工背侧通路核心白质纤维——弓状束，从纤维连通性、半球偏侧化、以及长时程白质纤维微结构改变、即时血液动力学变化与噪声环境下言语识别行为成绩的关系三方面，系统性揭示了音乐训练经验对言语知觉能力相关结构连接环路的神经可塑性机制，为音乐训练跨领域增强言语加工能力提供了又一证据支持。
该研究提示，音乐演奏或歌唱经验于润物细无声处影响着听觉-运动神经环路的白质结构基础来促进对言语信息的编码和整合能力。这种跨领域的“迁移效应”又促使我们更加深刻地了解大脑结构、功能和行为改变间的关系，对帮助我们更好地改善老年群体以及听力损失和言语障碍人群的言语感知能力具有重要的理论意义。
文章链接：
https://academic.oup.com/cercor/article/31/9/3975/6284382
二、周雯 | 研究员
· 中国科学院心理研究所 认知与发展心理学研究室
· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”
代表性成果
催产素调节人类对化学性别线索的解码
2021年1月13日，中国科学院心理研究所周雯研究员课题组在eLife杂志发表了题为 “Oxytocin modulates human chemosensory decoding of sex in a dose-dependent manner” 的研究论文。
在下丘脑产生的众多激素中，催产素（oxytocin）和加压素（vasopressin）在演化历程中与繁衍和社会行为息息相关，它们的受体在嗅觉系统中也有表达，且表达模式受到性激素的调节。为了研究催产素-加压素系统是否中介了人类对化学性别线索的解码，本工作在对216名男性受试者的共计1056次的施测中系统评估了催产素和加压素与对雄甾二烯酮和雌甾四烯所携带的性别信息的解码之间的关系。结果显示催产素，而非加压素，调制了异性恋男性对雌甾四烯所携带的女性信息的解码以及同性恋男性对雄甾二烯酮所携带的男性信息的解码；两者共同的拮抗剂阿托西班则阻断了个体对化学性别线索的解码。催产素的调制效应与剂量有关，表现出一种倒U型的剂量-反应模式，也与接收者自身的社交能力（一般反映出个体内源性催产素水平）有关。该研究成果显示人类对化学信号的加工同样与神经内分泌过程密不可分。
文章链接：
https://elifesciences.org/articles/59376
三、张航 | 研究员
· 北京大学生命科学学院
· 北京大学-IDG/麦戈文脑科学研究所
· 北京大学-清华大学生命科学联合中心
· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”
代表性成果一
不确定性的快速自动神经编码
2021年3月5日，北京大学心理与认知科学学院张航研究员课题组与罗欢研究员课题组合作，在Journal of Neuroscience杂志在线发表了题为 “Automatic and fast encoding of representational uncertainty underlies the distortion of relative frequency” 的研究论文。本文结合行为实验、计算建模和脑磁图（MEG），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。
概率扭曲(probability distortion)是一种广泛存在于判断和决策任务中的行为现象，表现为人类和动物常常会系统性地高估小概率或相对频率、低估大概率或相对频率。张航研究组近期提出了有界对数赔率模型来解释大脑在加工概率信息时的系统性错误，其核心假定之一是大脑会自动补偿表征概率信息时的不确定性。本研究通过MEG记录人们在持续追踪相对频率信息时的脑活动，在神经层面验证了这一核心假定。
研究发现大脑会自动编码相对频率信息在表征上的不确定性，而且其编码比相对频率本身的编码仅滞后约100 ms，远早于相对频率的外显报告。一方面，这为概率扭曲可能的根源——大脑自动补偿表征概率信息时的不确定性——提供了神经基础；另一方面，这与近期信心研究领域中大脑在外显的知觉判断之前就已快速编码其信心的发现不谋而合。这意味着，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。
文章链接：
https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2006-20.2021
代表性成果二
自由回忆降低工作记忆提取时项目间干扰
2021年4月23日，北京大学张航研究员课题组与中山大学心理学系库逸轩教授课题组合作，在Cognition杂志在线发表了题为 “Free-recall benefit, inhomogeneity and between-item interference in working memory ” 的研究论文。本文借助鼠标轨迹追踪研究了视觉工作记忆的动态提取过程，发现在这个过程中不同项目之间存在自发的相互干扰；当人们能够自由地决定回忆顺序而不是按照指定顺序来回忆多个项目时，项目间的干扰将会降低，回忆的总体精度将会提高。
借助全报告的实验任务和鼠标轨迹追踪记录，本研究聚焦于在先前的工作记忆研究中较受忽视的提取过程，重点分析了自由顺序回忆和指定顺序回忆的绩效差异，及二者之间在项目间干扰上的差异。研究结果发现，同样是依次提取工作记忆中的三个项目，自由顺序回忆相比指定顺序回忆，回忆精度总体上会更高。同时，鼠标轨迹分析显示，在用鼠标点击将要回忆的项目的方位时，即使人们只是按照视觉提示去点击（指定顺序回忆条件），其运动轨迹也会受到记忆中其他项目所在方位的影响；而当人们自由选择将要回忆的项目时（自由顺序回忆条件），这种影响反而较小，选择时间也会更短。这种影响反映了工作记忆中多个项目在提取过程中的相互干扰，而且干扰的强度与记忆中不同项目的相对记忆强度有关。很可能是因为在自由顺序回忆条件下，人们优先回忆保持更好的项目，从而最小化了记忆中其他项目对当前项目的影响，因此产生了比指定顺序回忆条件更好的回忆绩效。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.cognition.2021.104739
五、邹鹏 | 研究员
· 北京大学化学与分子工程学院
· 北京大学合成与功能生物分子中心
· 北京大学-IDG/麦戈文脑科学研究所
· 北京大学-清华大学生命科学联合中心
· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”
代表性成果一
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邹鹏研究员课题组与陈鹏教授课题组合作，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。
本文综合利用生物正交反应和膜蛋白工程化改造策略，通过对视紫红质膜蛋白的“生物正交”工程优化，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。其中，橙红区探针HVI-Cy3具有最高的灵敏度，能够以高达90的信噪比成像记录神经动作电位；远红区探针HVI-Cy5具有最红移的光谱，不仅可与绿色或红色荧光探针同时使用，实现膜电位与钙离子、神经递质等重要生理信号的并行观测，还能够与光遗传学工具联用，实现全光学神经电生理检测。期待该探针能够帮助研究者解读更加复杂的神经元电生理信号。
文章链接：
https://www.nature.com/articles/s41557-021-00641-1
代表性成果二
亚细胞磷酸化蛋白质组学新技术SubMAPP
2021年5月12日，北京大学化学与分子工程学院邹鹏研究员课题组与陈鹏教授课题组合作，在PNAS杂志发表了题为 “Spatiotemporally resolved subcellular phosphoproteomics” 的研究论文。
本文利用生物正交剪切反应和化学脱笼策略，通过遗传密码子拓展技术实现了最新一代生物素连接酶Turbo的光控激活（photoTurbo）和化学激活（chemoTurbo）。通过对酶活性的直接调控，而非生物素的补充来控制其对邻近蛋白质的标记，生物正交激活Turbo显著降低了野生型Turbo利用内源生物素标记的背景，消除了内源蛋白质过度生物素化，以及生物素剥夺对蛋白质翻译后修饰产生的干扰。
在此基础上进一步与磷酸化富集技术相偶联，将邻近标记酶介导的空间蛋白质组学技术与特定蛋白质翻译后修饰富集技术有效整合，开发了首个基于生物正交邻近标记的亚细胞磷酸化蛋白质组捕获技术——SubMAPP（Subcellular-specific uncaging-assisted biotinylation and MApping of PhosphoProteome），成功实现了活细胞中亚微米分辨率下的磷酸化蛋白质组捕获，并将其拓展至神经元及活体动物等复杂体系。未来，该策略有望拓展至其他翻译后修饰类型，在亚细胞水平绘制多种蛋白质翻译后修饰谱。
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