2021年北脑（青年）学者研究成果汇编（3）-儿童青少年脑智开发、类脑与脑机接口等方向

一、贺永 | 教授

· 神经影像大数据与人脑连接组学北京市重点实验室创始主任

· 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室副主任

· 北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 2020年入选北京脑中心“北脑学者”

代表性成果

人脑有氧糖酵解代谢的结构连接基础

2021年1月5日，北京师范大学贺永教授团队与香港浸会大学周昌松教授团队合作，在PNAS杂志发表了题为 “Association of aerobic glycolysis with the structural connectome reveals a benefit-risk balancing mechanism in the human brain” 的研究论文，通过探索有氧糖酵解代谢与人脑结构连接组的关系，揭示了人脑在收益与风险之间平衡的工作机制，对于理解脑发育及脑疾病中的代谢变化的结构基础具有重要意义。

人脑作为一个复杂的网络，不同脑区之间的联系需要大量的结构连接作为连线成本，同时消耗大量的葡萄糖代谢作为运行成本以维持正常的功能。本研究综合采用多模态PET脑代谢数据、弥散和功能磁共振脑成像数据、以及计算神经模型，系统探索了人脑有氧糖酵解代谢与结构连接组的关系。

研究首先基于PET数据，发现静息态下高AG代谢值的区域主要集中于额顶网络和默认网络。为了估计人脑网络中每个脑节点的轴突连接总长度，研究设计了一个基于空间欧式距离的含权预测计算模型。该模型分别在猕猴化学示踪剂追踪和小鼠双光子成像技术获得的脑结构连接组实验数据中进行了验证，发现实验数据获得的和模型估计的轴突连接总长度高度一致。然后，将建立的计算模型应用于人脑弥散磁共振影像获得的结构连接组数据，发现所估计的脑区轴突连接总长度和AG的代谢水平高度关联，具有高AG代谢水平的脑区在功能网络里具有高的整合能力，并且AG代谢水平对于结构-功能网络的关系起到中介作用。基于网络优化重连模型，发现高AG脑区的总轴突长度具有优化的布线设计；如果脑网络被随机布线，高AG脑区需要的总轴突长度和面临的脆弱性风险将成倍增加。这表明高AG脑区虽然具有昂贵的布线成本，但其布线的安排具有高度的优化，以满足代谢的需求并同时降低风险，从而揭示了人脑在收益与风险之间平衡的工作机制。

文章链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2013232118

此外，贺永教授团队2021年还在Cerebral Cortex杂志发表了两篇研究论文，在NeuroImage杂志发表了一篇研究论文，分别揭示了新生儿脑功能连接组的个体独特性以及儿童青少年脑动态功能网络发育的规律及其生物学基础。

二、毕彦超 | 教授

· 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

· 北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 2020年入选北京脑中心“北脑学者”

代表性成果

人脑知识表征的双编码模型

2021年9月8日，北京师范大学毕彦超教授团队在Trends in Cognitive Sciences杂志在线发表了题为 “Dual coding of knowledge in the human brain” 的封面综述论文，并提出原创性的理论：人脑知识表征的双编码模型。

我们的大脑是如何编码有关世界的各种各样知识？我们与日益强大的AI有着怎样的不同？又与我们的灵长类近亲有着怎样的不同？人类知识的认知神经模型被感知觉的具身理论所主导，即知识来自于感觉/运动经验，并被高级的感觉/运动以及联合皮层所加工；而非具身符号系统的神经基础则一直难以确立。近年一系列关于盲人关于视觉知识（颜色等）的行为及脑科学研究发现，除了感知觉获得的知识外，在背侧颞叶前部（ATL）存在非感知觉的、语言获得的知识表征。本篇综述系统回顾了该团队以及其他课题组近年来的相关研究，并由此提出了知识的双重编码理论（Dual-coding knowledge neural representation framework）。人类大脑中存在着两种认识——基于符号关系的认识（背侧ATL及其相关语言网络的语言获得的、非具身知识）和基于感知经验的认识（高级感知觉皮层），共同构成了人类的认知体系。这个框架为符号表证知识和感知经验表证知识的多种经典挑战（中文屋问题、常识问题、抽象问题等）提供了自然的解决方案、提出了一系列新的研究问题（两种编码的关系？人类与动物的相应异同？）

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.tics.2021.07.006

此外，毕彦超教授团队2021年还在Psychological Science杂志发表了题为 “Idiosyncratic Tower of Babel: Individual Differences in Word-Meaning Representation Increase as Word Abstractness Increases” 的研究论文，结合认知行为和脑影像激活模式两种范式，对个体对多种词汇理解的共性、差异模式及其机制加以解析，考察了不同类型客体名词、抽象名词和情绪相关词语的个体差异，发现抽象词的个体差异显著高于具体词，并且人们对词汇理解差异程度可以被词汇语义表征感知觉经验/语言描述信息多少所显著预测。本研究为人脑语义表征的语言/感知经验模型提供了证据，为理解、操纵现实中的多个领域语言信息传递和交流有效性机制提供了理论基础。

文章链接：

https://doi.org/10.1177/09567976211003877

三、吴倩 | 教授

· 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

· 北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”

代表性成果

人类下丘脑发育的时空动态特征

2021年12月7日，北京师范大学吴倩教授团队与中国科学院生物物理研究所王晓群研究员团队、首都医科大学附属安贞医院张军教授团队合作，在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为“Deciphering the spatial-temporal transcriptional landscape of human hypothalamus development”的研究论文。

下丘脑属于核团样结构，由形态及功能各异的多种神经细胞亚型聚集而成，具有高度异质性，对机体的生理活动、稳态调节具有重要作用。本研究利用单细胞测序技术，系统刻画了人类下丘脑发育的转录组时空变化特征和细胞亚群的基因表达特征，阐明了下丘脑神经干细胞的分子多样性，揭示出细胞命运决定受到多种转录因子组合调控，神经干细胞在神经元发生和神经胶质生成的过程中具有时序特征的差异和空间发育的不同步性。

与小鼠相比，人类下丘脑胶质生成发生在妊娠的早期阶段，并显示出独特的转录谱表达特征，这些差异主要聚焦于人类的早期少突胶质细胞。文章鉴定了人类下丘脑不同类型的少突胶质细胞亚类和分子表达特征，表征少突胶质细胞谱系分化具有早、晚两个发育轨迹，不同发育阶段的少突胶质细胞具有较高异质性。通过细胞间互作和差异表达基因富集分析，表明早期形成的少突胶质细胞与神经元细胞之间可能通过 Wnt、Hippo和Integrin等信号通路促进神经元的成熟。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2021.11.009

此外，吴倩教授2021年还与中国科学院生物物理研究所王晓群研究员、北京生命科学研究所曹鹏研究员、北京天坛医院贾文清教授等多个团队紧密合作，在Science、 eLife、 Nature Communications等期刊以共同通讯作者身份发表了多篇研究论文。

四、秦绍正 | 教授

· 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

· 北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”

代表性成果

人脑功能重组在情感与认知发展中的作用及其关键影响因素

北京师范大学秦绍正教授团队先后于2021年3月15日、8月1日、10月1日和10月7日在Biological Psychiatry(2篇)、Progress in Neurobiology和Nature Human Behaviour期刊发表系列研究论文，揭示了人脑功能重组在情感与认知发展中的作用及其关键影响因素。

儿童青少年期既是脑发育以及各种情感与认知功能快速发展黄金期，同时，又是容易受到各种应激环境因素影响的敏感期。这些影响继而会对个体认知、学习能力、学业成绩和身心健康产生深远的影响，往往可持续到成年期，甚至影响毕生发展。其中，“压力激素”皮质醇被认为是应激影响情绪与脑智健康发育的重要近端因子。

秦绍正团队综合利用无创脑功能影像、情绪与认知行为范式、生理心理和计算建模等跨学科技术方法，以发育中学龄儿童青少年和成人群体为研究对象，通过横断与纵向追踪相结合的系列研究，系统阐释了发育中脑网络功能重组在情感与认知发展中的作用及其受到应激相关近端因子的影响。首先，研究团队在前期研究基础上，揭示了人脑海马记忆系统、杏仁核情绪系统和额顶执行功能网络系统在正常与应激条件下功能活动的动态重组模式；接着，还阐释了HPA-轴系统特别是压力激素觉醒反应在这种重组模式下起着关键的调节作用(刊登于Nature Human Behaviour和Progress in Neurobiology)；最后，进一步揭示了来自家庭和社会环境的心理应激源(如负性教养方式、社会经济地位等)，通过压力激素分泌以及静息态下CMA-mPFC功能链接，进而介导负性情感辩识任务态下vmPFC的激活水平（Biological Psychiatry，2篇）。以上研究中发现的正常与应激下人脑功能重组模式及其影响因素，可能跟 压力激素的慢调控(slow genomic action)过程和情感/认知任务诱发的蓝斑-去甲肾上腺素系统（LC-NE system）快速激活共同作用有关。

论文1链接：

https://doi.org/10.1038/s41562-021-01188-4

论文2链接：

https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2021.02.002

论文3链接：

https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2020.08.002

论文4链接：

https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2021.102127

五、龚高浪 | 教授

· 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室

· 北京师范大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”

代表性成果

左右脑功能层级结构的不对称性规律

2021年1月20日，北京师范大学龚高浪教授团队在NeuroImage杂志在线发表了题为“Sex-related human brain asymmetry in hemispheric functional gradients” 的研究论文，基于静息态功能磁共振影像，结合最新的功能连接梯度分析方法，首次揭示了左右半脑内部的功能层级模式、及其不对称性与性别差异。

人脑的左右半球是两个相互连接又相对独立的功能模块，半脑内的功能层级结构是半脑内信息加工的重要内部组织特性，其左右脑差异可能为大脑认知加工过程的偏侧化现象提供了部分支撑。本研究利用HCP项目中右利手被试的静息态功能磁共振影像，采用弥散映射嵌入算法，通过提取能够反映半脑内功能层级特性的主梯度模式，探究了半脑内功能层级特性在左右脑间的不对称性及性别差异。结果表明，大脑左右半球内的功能主梯度存在着十分相似的空间分布模式，且与全脑分析框架下的空间分布模式高度相似，即初级感知觉皮层区域和默认网络相关脑区分别位于主梯度轴的两端。统计分析则证实了该功能主梯度的整体全距存在细微但显著的左脑大于右脑的偏侧化，且这种左偏化程度在男性中要显著的高于女性。在广泛脑区上，其主梯度分数也呈现出了显著的左右脑不对称性和性别差异，且在额中回中部以及眶额沟后部等区域的不对称性程度受到性别的调控，同样表现为男性的左偏化程度显著高于女性。在多种不同的验证性分析中，上述研究结果均得到了很好的复现，证明了这些发现的稳定性与可信度。

该研究首次利用功能连接梯度方法，揭示了左右脑半球网络内相似的功能层级结构及其不对称性规律，为理解人脑功能偏侧化的神经机制提供了重要线索，并进一步证实了性别在左右脑不对称性中扮演的重要角色。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.117761

此外，龚高浪教授团队2021年还在Cerebral Cortex、Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism、Neuroscience & Biobehavioral Reviews等期刊发表论文，分别研究了基于听觉反馈的言语运动调控机制、脑损伤后的可塑性变化规律及左右脑差异，以及综述了面孔情绪识别的脑网络构建。

六、李黄龙 | 副教授

· 清华大学精密仪器系

· 清华大学类脑计算研究中心

· 2020年入选北京脑中心“北脑青年学者”

代表性成果

基础单质半导体碲（Te）导电细丝的新型阻变器件技术

2021年10月19日，清华大学精密仪器系李黄龙副教授团队与精密仪器系裴京副研究员、机械工程系刘大猛副教授以及北京信息科技大学段文睿讲师等团队共同合作，在Nature Communications杂志发表了题为 “A new opportunity for the emerging tellurium semiconductor: making resistive switching devices” 的研究论文。

在过去半个多世纪里，集成电路产业一直在晶体管微缩驱动下发展（“摩尔定律”）。然而，随着晶体管尺寸微缩难度的持续增加，性能提升的空间不断缩小，集成电路的发展逐渐进入“后摩尔”时代。基于阻变器件的神经形态硬件是后摩尔时代新型技术的代表，具有类神经网络功能、存算一体和大规模并行计算的独特优势，有望突破冯·诺伊曼架构的固有瓶颈。

长期以来，阻变器件面临着“电流-保留时间”的矛盾，即受限于金属导电细丝的固有特性，阻变器件状态的保留时间与操作电流成正相关关系，这恰好与其实际使用需求相违背：长期非易失存储功能需要较低的电流以保证能耗优势，而短期易失选通功能则需要较大的打开电流来保证读出裕度。该研究利用Te半导体材料具有电化学活性、低熔点，低导热系数和低电导率的特点，在阻变器件中引入单质碲形成的半导体导电细丝，反转了阻变器件状态的“电流-保留时间”依赖关系，通过Te半导体导电细丝的生长/断裂实现器件的高/低电导切换。在微米尺度的器件里，长期非易失存储模式的操作电流可以低至几个微安量级（在纳米尺度的器件里可低至几十皮安），而短期易失选通模式的操作电流可以达到几个毫安量级。

该研究成功破解了传统阻变器件中普遍存在的“电流-保留时间”矛盾，在同一个单器件上同时实现了能满足应用需要的小电流-存储和大电流-选通两种功能，并演示了“存储-选通”单元同质集成的可能性，在国际上首次突破了存储-选通单元只能异质集成的瓶颈。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26399-1

此外，李黄龙副教授团队2021年还在Advanced Intelligent Systems杂志发表了题为 “A Marr's Three-Level Analytical Framework for Neuromorphic Electronic Systems” 的长篇综述论文，首次提出了一种借鉴计算神经科学家David Marr为神经科学研究所提出的三层次分析框架来指导神经形态系统设计的思路，从计算层次、算法层次到物理实现层次较为系统和详尽地综述了神经形态计算的发展现状，并提出了多层次协同优化的发展思路，阐述了将神经形态计算与脑仿真研究统一在一个神经形态系统上的可能性。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/aisy.202100054

七、张伟 | 副教授

· 清华大学生命科学学院

· 清华大学-IDG/麦戈文脑科学研究院

· 清华大学-北京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

咽喉部机械力感受调节果蝇进食的神经机制

2021年11月9日，清华大学生命科学学院张伟副教授团队在Cell reports杂志发表了题为 “A neural circuit integrates pharyngeal sensation to control feeding” 的研究论文。

咀嚼和吞咽是进食的重要步骤。食物的味道、硬度或粘度会激发口腔内和咽喉处不同的感觉。有证据表明，食物对口腔和食道的刺激能够影响饱腹感的形成。然而咽喉部的神经元是如何感受食物刺激并且将信号传递给中枢大脑的还不清楚。

该研究探索了咽喉中机械力感受调节果蝇进食的机制。果蝇的咽喉有丰富的感觉神经元。其中，共表达机械力受体NOMPC和味觉受体Gr43a的神经元可以被食物带来的刺激激活，并将信号传递至大脑中的中间神经元IN1。IN1神经元作为整合饥饿状态和食物信号的中枢，在饥饿的果蝇中接收到咽喉处的信号后，可以激活神经肽MIP的释放。MIP的释放累计促进果蝇的饱腹感形成。nompC突变果蝇与野生型果蝇相比进食量显著上升，mip突变果蝇也出现相似的表型，而激活IN1神经元或MIP神经元可以降低果蝇进食量。这些结果表明，位于大脑中的神经环路可以整合进食过程中产生的机械力刺激和动物自身的营养状态，协同调控进食行为。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109983

此外，张伟副教授团队2021年还在Protein & Cell杂志发表了题为“ Molecular basis and homeostatic regulation of Zinc taste”的研究论文，报道了果蝇中对锌离子味觉平衡调控的分子机制。

文章链接：

https://doi.org/10.1007/s13238-021-00845-8

八、杨玉超 | 教授

· 北京大学人工智能研究院类脑智能芯片研究中心主任

· 北京大学集成电路学院，北京大学人工智能研究院

· 北京脑科学与类脑研究中心双聘研究员

代表性成果

基于忆阻器的脑启发强化学习系统

2021年11月17日，北京大学集成电路学院杨玉超教授团队在Advanced Materials杂志发表了题为 “In-Memory Realization of Eligibility Traces Based on Conductance Drift of Phase Change Memory for Energy-Efficient Reinforcement Learning” 的研究论文，揭示了相变型忆阻器固有的电导漂移行为与强化学习算法中资格迹机制之间的深刻联系，在此基础上以存内计算的方式实现了资格迹的高效计算，并构建和评估了离散状态空间和连续状态空间的强化学习系统。相关论文被收录入Advanced Materials杂志的“Rising Stars Series”中。

脑启发的资格迹机制在强化学习算法中有至关重要的作用，它能够有效地记录强化学习中的关键步骤，从而大幅促进强化学习训练的收敛。资格迹的实现需要频繁地进行矩阵衰减运算，而这会在存算分离的传统计算架构中消耗大量的能量和时间，因此有效地实现矩阵衰减运算是强化学习算法进一步发展中亟待解决的问题。

杨玉超教授团队通过对相变型忆阻器电导漂移行为的深入研究，提出一种高效的资格迹计算系统，它能够以存内计算的方式实现高能效、低硬件开销的资格迹机制。研究发现了强化学习中资格迹的衰减行为与电导漂移之间紧密的相似性，并通过合理的方案将资格迹的幅度映射为忆阻器的电导，从而依靠电导漂移效应就可以自发地实现资格迹的衰减运算而无需额外的乘法电路以及能消耗。实验结果表明，这种基于相变型忆阻器电导漂移效应的资格迹在各种强化学习任务的训练中都表现出了优秀的性能。由于该系统避免了数据搬运并能够自发地进行衰减运算，该系统在资格迹计算过程中的能量消耗相较于传统的计算平台降低了约200倍。该研究不仅为忆阻器在人工智能领域的应用提供了新的途径，同时也推动了强化学习算法在硬件平台上的进一步发展。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202107811

此外，杨玉超教授团队2021年还在Nature Reviews Materials、IEDM等期刊发表了多篇文章，构建了面向不确定性量化的忆阻器存算一体系统等多项成果，设计流片了2款大规模忆阻器智能芯片。