走进脑与认知科学国家重点实验室
[2012/11/8]
喜迎十八大·走进国家重点实验室
在电影《阿凡达》中，地球人培育了许多形似潘多拉星球土著的肉身(阿凡达)，并且通过“灵感链接器”把地球人的精神传入阿凡达中，使之成为“第二肉身”。这样的技术未来能成真吗?
秋日的一个周末，记者走进了探索脑与认知科学奥秘的脑与认知科学国家重点实验室。
“认知显微镜”：促进神经科学与临床诊断
中科院生物物理研究所红白相间的楼群背后，一处不大起眼的平房属于脑与认知科学国家重点实验室。
和以往采访的实验室不太一样，这里没有一排排的瓶瓶罐罐。略显狭长的过道两旁是一间间隔好的小房间，房间里最主要的设备就是一台台电脑。房间的墙壁布有吸音材料，顶部设有通风装置，房间的灯可以根据实验需要调节明暗度。
脑成像技术的不断突破对脑与认知科学发展的影响，好比望远镜之于天文学。
实验室研究员卓彦向记者重点介绍了一台超高场强(7特斯拉，即7T)磁共振成像系统的大家伙。
这是中科院生物物理所2010年引进的磁共振成像设备，是我国首台、亚洲第二台人体全身超高场强磁共振成像系统。
4年前，记者第一次走进这个国家重点实验室时，当时还是以3T功能磁共振成像系统为核心的、与多种成像装置结合的脑成像研究平台。
“这台装置的强磁场可以提供比3T高一倍多的信噪比，成像更加锐利，观测脑部的细微结构更加清晰。”一旁的王波副研究员告诉记者，当病人进入室内，平躺着被送入直径达60厘米的腔体中时，王波会在一墙之隔的另一间房子里，通过电脑操作各种设备，对脑部有针对性地开展视觉刺激呈现和反应信号同步记录等。
他将这台设备比喻为“认知显微镜”，通过它在活体上实时观测大脑活动，探测到过去无法探测到的功能信号，结构分辨率从3T时的约0.4毫米提高到接近0.1毫米水平，甚至能清晰地看到细小的静脉。
“通过该设备的检查结果，能看到神经外科患者的哪些脑组织是有功能的。医生在手术中可有针对性地避开这块区域，从而让患者手术后不仅能活下来，还能活得好。”王波以一个“术前功能定位”的例子，描述了功能成像技术的进步对临床医学的影响。“目前实验室和北京的天坛、宣武、同仁等大型医院都在开展合作，成效已初现端倪。”
从斑马鱼到果蝇：放射状的研究路线图
实验室的墙上，除了实验室发表的优秀论文，最吸引人的是一张呈放射状的研究线路图。
“当前，生命科学已经走到了一个新的十字路口。在这个十字路口上，包括我们在内，大家都越来越关注和智力起源相关的脑与认知科学。”卓彦告诉记者，这张图的起源，要追溯到1982年11月，实验室前主任陈霖院士在《科学》上发表的一篇论文文章。
在那篇文章里，陈霖首次提出了拓扑性质知觉理论，向近代占统治地位的“由局部性质到大范围性质”的理论提出挑战。30年来，他和团队用令人信服的实验不断完善和论证这一假说，使之成为具有世界影响力的理论，我国的认知科学研究也越来越受到世界认可。如今陈霖和他的团队已经把这个理论应用到注意、记忆、意识乃至情绪等不同认知层次的研究，进一步地把科学问题凝练成“认知的基本单元”这个看似简单、实则内涵异常丰富的问题。
“所有这些问题，都可以在眼前这张图上表现出来。”副研究员周可将手指向墙上的这张图，“这其实是一个动态的网页系统，在电脑上用鼠标点击就会打开某个课题的网页，里面详细记录了课题的研究内容、研究目标、研究计划、研究进度以及目前遇到的困难等信息。点击课题之间的连线，就能了解这两个课题之间的相互联系。”周可说，每个研究者都能够通过路线图清楚地了解整个实验室的最新研究进展和发展态势，随时拓展自己的研究方向。
在中科院生物物理所主楼的实验室里，厚厚的窗帘挡住了外面的阳光，昏暗的台灯下，副研究员刘祖祥正在对斑马鱼进行眼动和似动反应实验。
刘祖祥从事的也是视知觉研究，他的重点是动物的视知觉，比如漂亮的斑马鱼。由于斑马鱼成鱼昼夜节律明显，对光反应强烈，因此可以很容易地使用行为学实验手段对其视觉功能进行检测。
实验室里，约两厘米长的成年斑马鱼被固定在培养皿中，运动的光栅等视觉刺激由微型投影机投射到培养皿外一个半圆的屏幕上。顶盖是鱼脑中高度发达的部分，在斑马鱼头上不过芝麻大小的顶盖范围内，刘祖祥需要在前后左右方向钻4个孔，对鱼实现局部麻醉，以考察顶盖对特定视觉功能的作用。
“基本是个外科手术。”刘祖祥打了个形象的比方。
与斑马鱼相比，果蝇是一种有百年历史的经典模式动物。人类疾病相关的基因中大约75%在果蝇中具有同源基因，并且在神经疾病的发生和病症上，都与哺乳动物有高度相似性。因此，果蝇成为研究基因—细胞—神经环路—脑功能—脑疾病的理想模型。
脑与认知科学国家重点实验室有一个很有特色的果蝇研究团队，团队带头人郭爱克院士于上世纪90年代就开始了果蝇视觉学习记忆的研究。
“就是用这套设备，郭先生在《科学》杂志上已经发表了3篇重要论文，确定了领域内独树一帜的地位。”研究团队李岩研究员向记者重点介绍了飞行模拟器系统，“这是一种操作式学习记忆，果蝇能够选择飞行区域，类似于飞行员训练时的模拟飞行，通过将惩罚区域与图形线索结合起来，我们就能够训练果蝇对视觉图形的记忆。”
此外，刘力研究员与龚哲峰副研究员等做的研究分别发表在《自然》和《科学》杂志上，揭示了果蝇视觉学习和光感受两个方面的精细神经环路。
李岩说，随着国家对科研投入的不断增加，实验室还建立了果蝇嗅觉学习记忆，睡眠节律和求偶的行为学范式。
嗅觉学习记忆实验是在一间暗室中进行的。
“拉上窗帘是为了避免光线干扰，做嗅觉实验时，视觉刺激会干扰果蝇行为反应，结果就不准确。”李岩解释说。暗室旁边几个类似立式冰柜的箱子是研究果蝇睡眠节律的实验仪器，里面有红外监测果蝇24小时的活动性。
为了深入研究行为学的神经机制，李岩在实验室建立了分子遗传学和光学成像平台。“利用果蝇，理解神经发育、脑工作原理，乃至疾病的发生和防治，最终造福人类。”李岩说，这是基础科研工作者的最终愿望。
《阿凡达》：也许有一天不再是神话
电影《阿凡达》中的技术未来能成真吗?
当记者抛出这个疑问时，王波说，要实现这样的奇迹，要有人造大脑，还要能使它和另一个大脑同步更新。前者似乎不算太难，因为实验已经证明，人的记忆与电脑计算有相同原理，因此可以用计算机模拟出有记忆的大脑。只是假如有了人造大脑，要想让它和真人大脑同步更新，就需要精确记录脑活动的每一个细节。但现有技术水平离此目标还有一段距离。
“一方面，目前对大脑活体的整体观察，精细程度在毫米级别;另一方面，用微电极研究单个神经元的成果，还不能跟宏观层面的理论对接。因此科学家对大脑的监测，还在不断的探索中。”王波说，“阐明大脑活动的所有宏观和微观原理，这是我们努力的目标。”
随着脑与认知科学的发展，也许有一天，“阿凡达”不再仅仅是一个银幕神话。
其实，如今脑与认知科学的发展正在渗透到科学研究和日常生活的方方面面。卓彦说，比如在教育学上，一位实验室的合作伙伴在其研究中发现，中国人的语言区靠近运动区，而西方人是靠近听觉区，所以中国人在“写”中学，而西方人更倾向于在“听”中学，这一研究对设计教学方案有重要启示。先进的功能成像技术的另一个重要应用是在医学方面，突破了只能发现器质性病变的局限，随着研究的深入，某些功能异常也能被观察到，为包括老年痴呆症等的各种神经系统疾病的早期发现带来希望。
“我们希望为同行提供一个和国际接轨的平台，带动一批学科发展，不仅仅是认知科学、神经科学，还有诸如经济学、教育学、法学，甚至军事科学这样一些过去未曾预料的学科。”卓彦对未来充满信心。
在电影《阿凡达》中，地球人培育了许多形似潘多拉星球土著的肉身(阿凡达)，并且通过“灵感链接器”把地球人的精神传入阿凡达中，使之成为“第二肉身”。这样的技术未来能成真吗?
秋日的一个周末，记者走进了探索脑与认知科学奥秘的脑与认知科学国家重点实验室。
“认知显微镜”：促进神经科学与临床诊断
中科院生物物理研究所红白相间的楼群背后，一处不大起眼的平房属于脑与认知科学国家重点实验室。
和以往采访的实验室不太一样，这里没有一排排的瓶瓶罐罐。略显狭长的过道两旁是一间间隔好的小房间，房间里最主要的设备就是一台台电脑。房间的墙壁布有吸音材料，顶部设有通风装置，房间的灯可以根据实验需要调节明暗度。
脑成像技术的不断突破对脑与认知科学发展的影响，好比望远镜之于天文学。
实验室研究员卓彦向记者重点介绍了一台超高场强(7特斯拉，即7T)磁共振成像系统的大家伙。
这是中科院生物物理所2010年引进的磁共振成像设备，是我国首台、亚洲第二台人体全身超高场强磁共振成像系统。
4年前，记者第一次走进这个国家重点实验室时，当时还是以3T功能磁共振成像系统为核心的、与多种成像装置结合的脑成像研究平台。
“这台装置的强磁场可以提供比3T高一倍多的信噪比，成像更加锐利，观测脑部的细微结构更加清晰。”一旁的王波副研究员告诉记者，当病人进入室内，平躺着被送入直径达60厘米的腔体中时，王波会在一墙之隔的另一间房子里，通过电脑操作各种设备，对脑部有针对性地开展视觉刺激呈现和反应信号同步记录等。
他将这台设备比喻为“认知显微镜”，通过它在活体上实时观测大脑活动，探测到过去无法探测到的功能信号，结构分辨率从3T时的约0.4毫米提高到接近0.1毫米水平，甚至能清晰地看到细小的静脉。
“通过该设备的检查结果，能看到神经外科患者的哪些脑组织是有功能的。医生在手术中可有针对性地避开这块区域，从而让患者手术后不仅能活下来，还能活得好。”王波以一个“术前功能定位”的例子，描述了功能成像技术的进步对临床医学的影响。“目前实验室和北京的天坛、宣武、同仁等大型医院都在开展合作，成效已初现端倪。”
从斑马鱼到果蝇：放射状的研究路线图
实验室的墙上，除了实验室发表的优秀论文，最吸引人的是一张呈放射状的研究线路图。
“当前，生命科学已经走到了一个新的十字路口。在这个十字路口上，包括我们在内，大家都越来越关注和智力起源相关的脑与认知科学。”卓彦告诉记者，这张图的起源，要追溯到1982年11月，实验室前主任陈霖院士在《科学》上发表的一篇论文文章。
在那篇文章里，陈霖首次提出了拓扑性质知觉理论，向近代占统治地位的“由局部性质到大范围性质”的理论提出挑战。30年来，他和团队用令人信服的实验不断完善和论证这一假说，使之成为具有世界影响力的理论，我国的认知科学研究也越来越受到世界认可。如今陈霖和他的团队已经把这个理论应用到注意、记忆、意识乃至情绪等不同认知层次的研究，进一步地把科学问题凝练成“认知的基本单元”这个看似简单、实则内涵异常丰富的问题。
“所有这些问题，都可以在眼前这张图上表现出来。”副研究员周可将手指向墙上的这张图，“这其实是一个动态的网页系统，在电脑上用鼠标点击就会打开某个课题的网页，里面详细记录了课题的研究内容、研究目标、研究计划、研究进度以及目前遇到的困难等信息。点击课题之间的连线，就能了解这两个课题之间的相互联系。”周可说，每个研究者都能够通过路线图清楚地了解整个实验室的最新研究进展和发展态势，随时拓展自己的研究方向。
在中科院生物物理所主楼的实验室里，厚厚的窗帘挡住了外面的阳光，昏暗的台灯下，副研究员刘祖祥正在对斑马鱼进行眼动和似动反应实验。
刘祖祥从事的也是视知觉研究，他的重点是动物的视知觉，比如漂亮的斑马鱼。由于斑马鱼成鱼昼夜节律明显，对光反应强烈，因此可以很容易地使用行为学实验手段对其视觉功能进行检测。
实验室里，约两厘米长的成年斑马鱼被固定在培养皿中，运动的光栅等视觉刺激由微型投影机投射到培养皿外一个半圆的屏幕上。顶盖是鱼脑中高度发达的部分，在斑马鱼头上不过芝麻大小的顶盖范围内，刘祖祥需要在前后左右方向钻4个孔，对鱼实现局部麻醉，以考察顶盖对特定视觉功能的作用。
“基本是个外科手术。”刘祖祥打了个形象的比方。
与斑马鱼相比，果蝇是一种有百年历史的经典模式动物。人类疾病相关的基因中大约75%在果蝇中具有同源基因，并且在神经疾病的发生和病症上，都与哺乳动物有高度相似性。因此，果蝇成为研究基因—细胞—神经环路—脑功能—脑疾病的理想模型。
脑与认知科学国家重点实验室有一个很有特色的果蝇研究团队，团队带头人郭爱克院士于上世纪90年代就开始了果蝇视觉学习记忆的研究。
“就是用这套设备，郭先生在《科学》杂志上已经发表了3篇重要论文，确定了领域内独树一帜的地位。”研究团队李岩研究员向记者重点介绍了飞行模拟器系统，“这是一种操作式学习记忆，果蝇能够选择飞行区域，类似于飞行员训练时的模拟飞行，通过将惩罚区域与图形线索结合起来，我们就能够训练果蝇对视觉图形的记忆。”
此外，刘力研究员与龚哲峰副研究员等做的研究分别发表在《自然》和《科学》杂志上，揭示了果蝇视觉学习和光感受两个方面的精细神经环路。
李岩说，随着国家对科研投入的不断增加，实验室还建立了果蝇嗅觉学习记忆，睡眠节律和求偶的行为学范式。
嗅觉学习记忆实验是在一间暗室中进行的。
“拉上窗帘是为了避免光线干扰，做嗅觉实验时，视觉刺激会干扰果蝇行为反应，结果就不准确。”李岩解释说。暗室旁边几个类似立式冰柜的箱子是研究果蝇睡眠节律的实验仪器，里面有红外监测果蝇24小时的活动性。
为了深入研究行为学的神经机制，李岩在实验室建立了分子遗传学和光学成像平台。“利用果蝇，理解神经发育、脑工作原理，乃至疾病的发生和防治，最终造福人类。”李岩说，这是基础科研工作者的最终愿望。
《阿凡达》：也许有一天不再是神话
电影《阿凡达》中的技术未来能成真吗?
当记者抛出这个疑问时，王波说，要实现这样的奇迹，要有人造大脑，还要能使它和另一个大脑同步更新。前者似乎不算太难，因为实验已经证明，人的记忆与电脑计算有相同原理，因此可以用计算机模拟出有记忆的大脑。只是假如有了人造大脑，要想让它和真人大脑同步更新，就需要精确记录脑活动的每一个细节。但现有技术水平离此目标还有一段距离。
“一方面，目前对大脑活体的整体观察，精细程度在毫米级别;另一方面，用微电极研究单个神经元的成果，还不能跟宏观层面的理论对接。因此科学家对大脑的监测，还在不断的探索中。”王波说，“阐明大脑活动的所有宏观和微观原理，这是我们努力的目标。”
随着脑与认知科学的发展，也许有一天，“阿凡达”不再仅仅是一个银幕神话。
其实，如今脑与认知科学的发展正在渗透到科学研究和日常生活的方方面面。卓彦说，比如在教育学上，一位实验室的合作伙伴在其研究中发现，中国人的语言区靠近运动区，而西方人是靠近听觉区，所以中国人在“写”中学，而西方人更倾向于在“听”中学，这一研究对设计教学方案有重要启示。先进的功能成像技术的另一个重要应用是在医学方面，突破了只能发现器质性病变的局限，随着研究的深入，某些功能异常也能被观察到，为包括老年痴呆症等的各种神经系统疾病的早期发现带来希望。
“我们希望为同行提供一个和国际接轨的平台，带动一批学科发展，不仅仅是认知科学、神经科学，还有诸如经济学、教育学、法学，甚至军事科学这样一些过去未曾预料的学科。”卓彦对未来充满信心。
上一篇：离心机的定期检修
下一篇：霉菌培养箱的工作过程
河南、湖北、湖南、广东、广西、海南： 杨经理 19811942171 微信同号
地址：广州市越秀区先烈中路76号15楼B、C
电话:020-37636032、020-37618752、020-37611206
手机:18819137158 
传真:020-37618517
广州研发中心：广州市萝岗区科学城瑞发路1号
