脑与认知科学国家重点实验室

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1、脑与认知科学国家重点实验室(中国科学院生物物理研究所)工作年报（2007）邮政地址：北京市朝阳区大屯路15号邮编：100101联系电话：010-64888778传真：010-64853625E-mail：bcslab@ibp.ac.cn网址：http://bcslab.ibp.ac.cn-1-脑与认知科学国家重点实验室2007年度工作报告一、研究工作和水平1.课题承担情况2007年，实验室共承担研究课题64项。其中，新增“973”项目一级子课题1项,“863”项目子课题1项。2006年获批的以陈霖院士为首席的创新研究群体科学基金“视觉信息的表达

2、及视觉系统的脑功能区成像”项目已于今年正式启动。2007年实验室新增自然科学基金项目6项；省部级项目2项。2.代表性研究水平及实验室最新研究进展(一)以果蝇为模式，探索抉择的脑机制的新进展国际权威学术期刊《科学》(2007年6月29日)以报告形式，发表了郭爱克领导的关于多巴胺和蘑菇体环路调控果蝇基于价值的抉择的研究成果。抉择是一个极其复杂的脑过程。一般地讲，探索抉择的脑机制应回答“三问”。一问是，抉择在哪里进行？有没有所谓的“主管抉择的神经元？”；二问是，抉择过程中，当前的感觉信息输入如何与先前的经验和而后的期望相结合起来？三问是，脑怎样从多种

3、可能性中选出恰当的一种，然后加以执行，它的脑动力学过程是怎样的？6年前，郭爱克和唐世明合作开创了果蝇的两难抉择研究，不仅证明了果蝇具有面对两难局面的简单“趋利避害”的抉择能力，还初步证明了果蝇脑中蘑菇体结构参与这一过程。为理解脑的这一智能抉择行为提供了更为简约的模型生物和新的抉择范式，也表明基于脑内“价值系统”的抉择行为，并非人类或非人灵长类的“专利”。六年来的实验研究和理论思考聚焦在神经环路机制上，从较微观的分子和细胞层次，到神经回路层次，特别是果蝇脑的多巴胺系统和蘑菇体结构。采用增强子陷阱和上游激活序列（GAL4/UAS）的二元表达系统，在

4、特定的时间阻断蘑菇体和多巴胺神经元的突触递质释放。实验证明，当相互矛盾的两种线索信息的相对差别很大时，转基因果蝇还是有能力做出明确选择，而当差别变小时，选择就变得徘徊不定。免疫组化的研究结果显示，多巴胺的纤维深入到蘑菇体中，蘑菇体和多巴胺两个系统的解剖学联系紧密。新的抉择论文的主要科学结论为：（1）果蝇中央脑的蘑菇体结构和多巴胺系统共同掌控果蝇的基于价值的抉择，没有二者共同参与的抉择是简单的“犹豫不决”的线性抉择过程，而二者的协同运作才使两难抉择成为“当机立断”的“胜者独享”的非线性抉择；（2）果蝇有能力完成系列的抉择任务，即在面对新的抉择任务

5、时，果蝇能放弃在应对前一个抉择任务时所做的选择，转而做出新的选择。体现了在抉择的“稳定性”和“灵活性”之间的统一；（3）在面对新的抉择任务时，需要蘑菇体结构和多巴胺系统重新快速参与，而一旦进入执行阶段，就不需要它们了。最后，也是最重要的，果蝇脑中的蘑菇体可能起到类似的“门控”作用，它和多巴胺系统共同实现抉择过程中的“门控”、“聚焦”和“放大”机制，从而导致非线性的陡峭的“S”形曲线。果蝇小型化的脑在它的小型认知世界里的简约的抉择行为或许可能提供更多的关于决策的神经环路和基因方面的信息，可能会有助于理解某些认知和精神活动的基本原理。-2-2007

6、年7月27日国际权威学术期刊《细胞》在《前沿》（LeadingEdge）栏目的《神经生物学选择》(NeurobiologySelect)中头条地介绍了该篇论文。（二）“大范围首先”的拓扑性质知觉理论又获大脑半球不对称性研究证据支持2007年12月26日的《美国科学院院刊》（PNAS）发表了陈霖领导的关于人类左右大脑半球不对称性研究的最新成果，并在为突出每期特别有意义的论文而设的“InThisIssue”（“本期中”）的专栏所介绍。左右大脑半球不对称性问题是心理学和认知科学领域已有上百年研究历史的问题，也是备受关注的一个关于人脑认知功能的基本问题

7、，然而究竟左、右大脑半球功能的差别是什么仍然是当前认知科学领域最有争议的问题之一。长期以来，研究左右大脑半球不对称性的科学目标就在于发现一种基本的功能划分，揭示大脑两半球差别的根本机制，从而对左右大脑半球不对称性的大量实验现象给与统一的科学描述。这样的问题本质上涉及到我们的大脑究竟是如何工作的更为普遍的问题。对于视知觉而言，我们要揭示大脑两半球视觉相关的差别的基本功能划分，必须首先回答视知觉研究的一个最基本的问题“视知觉过程处理的基本单元是什么？”或者说，“视知觉过程是从哪里开始的？”。陈霖领导的认知科学和脑成像团队就这一根本问题，创立了“大范

8、围首先”的拓扑性质知觉理论，向半个世纪以来近代知觉研究中占统治地位的“局部首先”的理论路线提出挑战，强调知觉过程是由大范围拓扑不变性质开始的，以大范围