中国人民解放军陆军军医大学（第三军医大学）：《生物科学综合》课程教学课件_10 脑环路形态与功能

军医大学 脑研究中小 TMMU Brain Research cart 脑环路形态和功能连接图 谌小维 2015年l月30日 xiaowei chen atmmu.edu.cn

脑环路形态和功能连接图 谌小维 2015 年11 月30 日 xiaowei_chen@tmmu.edu.cn

课程内容 1.绘制脑环路形态和功能连接的意乂(0.5学时) (1)解析大脑工作原理的必由之路 (2)探索大脑相关疾病的发生机制和诊治方法的必由之路 (3)指导发展人工智能和物种进化的必由之路 2.脑环路形态和功能连接的基础(1.5学时) (1)化学突触 (2)缝隙连接 (3)信息传递方式:电信号,化学信号 3.脑环路形态和功能连接图绘制的相关方法和前沿进展(1学时) (1)形态学连接图绘制相关方法:电镜、光镜、fMR (2)连接功能图绘制相关方法:双光子成像、电生理(多电极记录)、 光纤荧光信号记录或成像、光遗传学、fMR。 (3)前沿进展:桶装皮层功能图谱绘制,听觉皮层预测环路

课程内容 2 1. 绘制脑环路形态和功能连接的意义（0.5学时） （1）解析大脑工作原理的必由之路 （2）探索大脑相关疾病的发生机制和诊治方法的必由之路 （3）指导发展人工智能和物种进化的必由之路 2. 脑环路形态和功能连接的基础（1.5学时） （1）化学突触 （2）缝隙连接 （3）信息传递方式：电信号，化学信号 3. 脑环路形态和功能连接图绘制的相关方法和前沿进展（1学时） （1）形态学连接图绘制相关方法：电镜、光镜、fMRI （2）连接功能图绘制相关方法：双光子成像、电生理（多电极记录）、 光纤荧光信号记录或成像、光遗传学、fMRI。 （3）前沿进展：桶装皮层功能图谱绘制，听觉皮层预测环路

重点内容 神经元之间信息传递的基本过程 树突 信息传入 1000-10000树突棘 树突棘一神经元接收信息 胞体 胞体 传入的基本单元位点 轴突 轴突 信息传出

神经元之间信息传递的基本过程 轴突 树突 胞体 胞体 1000-10000树突棘 树突棘－神经元接收信息 传入的基本单元位点 轴突 信息传出 信息传入 重点内容

1.绘制脑环路形态和功能连接的意义 大脑由十分复杂的网络构成 解码大脑 形态连接连接功能 缺一不可

1. 绘制脑环路形态和功能连接的意义 4 大脑由十分复杂的网络构成 15 m 形态连接 连接功能 解码大脑 缺一不可

全球共识:绘制连接图谱 美欧日脑计划:实质是绘制大脑图谱 第一图:形态连接图 第二图:连接活动图 解剖结构学图谱 功能学图谱

第一图：形态连接图 第二图：连接活动图 解剖结构学图谱 功能学图谱 全球共识：绘制连接图谱 美欧日脑计划：实质是绘制大脑图谱

美欧日脑计划:实质是什么? 美国“脑计划 Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN 2013年4月2启动,10年,预计总投入45亿美元 七个方面内容: 1.发现细胞类型,确定不同类型脑细胞的作用 2.多个尺度下绘图,产生从突触分辨率到全脑分辨率的回路图 3.探索运转中的大脑,通过发展和改进大规模监测神经活动的方法 获得动态脑功能图谱 4.证明因果关系,通过精确的介入工具改变神经回路动态将大脑活 动和行为联系起来 5.建立基本原理,通过开发新的理论和数据分析工具来理解思维过 程的生物学基础 6.推动人类神经科学,发展创新技术以了解人类大脑并治疗疾病; 创建和支持综合的人脑研究网络 7.从脑计划到大脑,总和目标1-6中的新技术和概念来解析神经活动 的动态模式是如何转变为认知、情绪、感知以及在健康和疾病状 态下的行为

美欧日脑计划：实质是什么？ 美国 “脑计划 ” Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN 七个方面内容： 1. 发现细胞类型，确定不同类型脑细胞的作用 2. 多个尺度下绘图，产生从突触分辨率到全脑分辨率的回路图 3. 探索运转中的大脑，通过发展和改进大规模监测神经活动的方法 获得动态脑功能图谱 4. 证明因果关系，通过精确的介入工具改变神经回路动态将大脑活 动和行为联系起来 5. 建立基本原理，通过开发新的理论和数据分析工具来理解思维过 程的生物学基础 6. 推动人类神经科学，发展创新技术以了解人类大脑并治疗疾病； 创建和支持综合的人脑研究网络 7. 从脑计划到大脑，总和目标 1 ‐ 6中的新技术和概念来解析神经活动 的动态模式是如何转变为认知、情绪、感知以及在健康和疾病状 态下的行为 2013 年 4 月 2启动，10年，预计总投入45亿美元

美欧日脑计划:实质是什么? 美国“脑计划 Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN 2013年4月2启动,10年,预计总投入45亿美元 前3年重点资助领域 1.大脑细胞分类方法 2.开发分析大脑神经回路的新方法 3.大规模记录和分析神经系统的新方法 4.大规模记录和分析神经系统方法的优化。 5.理解神经系统功能的整合方法 6.新一代人类大脑成像计划

美欧日脑计划：实质是什么？ 美国 “脑计划 ” Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN 2013 年 4 月 2启动，10年，预计总投入45亿美元 前 3年重点资助领域 1. 大脑细胞分类方法。 2. 开发分析大脑神经回路的新方法。 3. 大规模记录和分析神经系统的新方法。 4. 大规模记录和分析神经系统方法的优化。 5. 理解神经系统功能的整合方法。 6. 新一代人类大脑成像计划

美欧日脑计划:实质是什么? 欧洲“脑计划 未来旗舰技术项目 2013年1月28日启动,10年,10亿欧元 四大目标 1.采集和描述筛选过的、有价值的战略数据,包括3个方面: (1)获得小鼠大脑的多层结构(绘制图谱) (2)获得人脑的多层结构 (3)弄清大脑结构与功能之间的联系 2.定义数学模型,解释不同大脑组织层级与它们在实现信息获取、 信息描述和储存功能之间的关系 3建立一套综合的信息交流技术平台系统(CT平台) 为神经认知学家、临床研究者和技术开发者提供服务以提髙硏究效率 (1)神经信息系统;(2)人脑模拟系统;(3)高性能计算系统; (4)医疗信息系统 (5)神经形态计算系统;(6)神经机器人系统 4.成功体现出为神经认知基础硏究、临床科硏和技术开发带来的实用价值

美欧日脑计划：实质是什么？ 欧洲 “脑计划 ” 未来旗舰技术项目 2013 年 1 月28日启动，10年，10亿欧元 四大目标: 1. 采集和描述筛选过的、有价值的战略数据，包括 3个方面: （ 1）获得小鼠大脑的多层结构 (绘制图谱) （ 2）获得人脑的多层结构 （ 3）弄清大脑结构与功能之间的联系 2. 定义数学模型，解释不同大脑组织层级与它们在实现信息获取、 信息描述和储存功能之间的关系; 3. 建立一套综合的信息交流技术平台系统（ICT平台）， 为神经认知学家、临床研究者和技术开发者提供服务以提高研究效率 （ 1）神经信息系统; （ 2）人脑模拟系统; （ 3）高性能计算系统; （ 4）医疗信息系统 （ 5）神经形态计算系统; （ 6）神经机器人系统 4. 成功体现出为神经认知基础研究、临床科研和技术开发带来的实用价值

美欧日脑计划:实质是什么? 欧洲“脑计划 未来旗舰技术项目 2013年1月28日启动,10年,10亿欧元 分三个重要阶段进行实施 1.最初两年半(上升期),将专注于CT平台初始版本的建立, 并为该平台收集筛选过的战略数据; 2接下来四年半(运营期),项目会加强战略数据的收集以及 平台新功能的补充,同时也会积极展示该CT平台在神经人认 知学的基础研究、医疗应用和未来计算技术方面的重大价值; 3最后三(稳定期),项目会继续上个阶段的工作并努力实 现自负盈亏一一让这个平台上创造出来的功能和知识成为欧洲 科学研究和产业发展的永久性资产

美欧日脑计划：实质是什么？ 欧洲 “脑计划 ” 未来旗舰技术项目 2013 年 1 月28日启动，10年，10亿欧元 分三个重要阶段进行实施: 1. 最初两年半（上升期），将专注于ICT平台初始版本的建立， 并为该平台收集筛选过的战略数据； 2.接下来四年半（运营期），项目会加强战略数据的收集以及 平台新功能的补充，同时也会积极展示该ICT平台在神经人认 知学的基础研究、医疗应用和未来计算技术方面的重大价值; 3.最后三（稳定期），项目会继续上个阶段的工作并努力实 现自负盈亏——让这个平台上创造出来的功能和知识成为欧洲 科学研究和产业发展的永久性资产

美欧日脑计划:实质是什么? 日本脑计划 Brain/MINDS Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies) Brain-mapping project in Japan 2014年9月11日,10年 预计用10年的时间绘制绒猴脑图谱 (1)绘制非人灵长类的大脑结构和功能连接图(即绒猴大脑) 首席科学家 Hideyuki Okano( RIKEN Brain Science institute); (2)开发支持大脑图谱绘制的新颖的尖端技术 首席科学家 Atsushi Miyawaki( RikEN Brain Science institute); 3)发展用于理解人类精神和神经疾病的相关技术 首席科学家 Kiyoto Kasai( University of Tol

美欧日脑计划：实质是什么？ 日本 “脑计划 ” Brain/MINDS (Brain Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies) Brain ‐mapping project in Japan 2014 年 9 月11日，10 年 预计用10年的时间绘制绒猴脑图谱 (1)绘制非人灵长类的大脑结构和功能连接图 （即绒猴大脑） 首席科学家 Hideyuki Okano (RIKEN Brain Science Institute)； (2) 开发支持大脑图谱绘制的新颖的尖端技术 首席科学家 Atsushi Miyawaki (RIKEN Brain Science Institute)； (3) 发展用于理解人类精神和神经疾病的相关技术 首席科学家Kiyoto Kasai (University of Tokyo)