認知神經科學與學習國家重點實驗室2005年批准建設，今年已走過15年。2011年，以國家重點實驗室為主要依託成立北京師範大IDG/McGovern 腦科學研究院。本實驗室以腦發育和認知發展的動態發展觀為核心指導思想，以高階認知功能為突破口，解決“學習與腦的可塑性 ”的重大科學問題，為建立我國基於腦的教育、基於腦的認知障礙矯治方法、基於腦的人力資源產業開發提供科學依據，從而促進我國億萬兒童青少年的智力和心理健康發展，滿足國家須不斷提升人口素質和綜合國力的重大需求 。
下面，讓我們一起來回顧他們2020年取得的科研成果。
1，韓在柱課題組在《Brain》發表論文揭示語義記憶的腦白質網路結構2020年3月10日，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室韓在柱教授課題組在Brain發表了題為“White matter basis for the hub-and-spoke semantic representation: evidence from semantic dementia”的研究論文。該研究以語義性痴呆（semantic dementia, SD）病人為研究物件，探討了語義記憶的腦白質網路結構。
韓在柱課題組曾透過對腦中風患者的語義網路進行了探索研究（如Han et al., 2013; Bi et al., 2015; Zhao et al., 2017），但在此項研究中，本研究合作團隊進一步採用發病率較低的SD病人為研究物件（33名SD患者，20名健康控制組），既鑑定了hub中心區的確切位置，也揭示了該中心區與感知運動型知識區的連線模式。
圖 語義性痴呆病人的語義hub中心區。A）左腦梭狀回（lFFG，紅色腦區）作為語義hub中心區，及其相連的9個腦區；B）左側梭狀回的節點度值與語義成績相關圖
2，北京BABRI協作組揭示燈盞生脈膠囊治療血管性認知障礙及其改善大腦連通性的神經影像機制2020年4月，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室BABRI全國協作組在《Pharmacological Research》發文揭示覆方中藥燈盞生脈膠囊改善血管性認知障礙患者認知能力及大腦連通性的腦影像機制。該研究以VCI患者為研究物件，利用多模態磁共振MRI技術，結合成套的神經心理測查方法，全面評估了複方中藥燈盞生脈膠囊干預VCI患者的療效，並透過圖論和機器學習方法揭示了藥物干預後患者認知改善、提高大腦連通性的神經影像機制。
燈盞生脈膠囊對白質結構網路的調控作用（A）干預前後藥物組與安慰劑組結構連線的改 變（藍色：增加；紅色：減少）; (B)使用SVM對兩組干預前後白質網路連線矩陣進行分類的ROC曲線; (C)右側嗅皮質網路節點效率改變與認知功能改善相關。
3，馬燚娜課題組在《Nature Neuroscience》發表論文揭示群際衝突的腦間同步機制作為群居性社會動物，人類的生存依賴於群體，但群體間的競爭衝突也貫穿著人類歷史。人們的行為常常會因為身處群體中，而發展巨大變化。個體常常會在群體中的去個體化（de-individuation）而表現得瘋狂和非理性，例如冒險行為、衝動行為。在群際衝突（intergroup conflict）中，群體成員也會不惜犧牲自身利益、健康甚至生命以贏取自己所屬群體在衝突中的相對優勢。心理學家、人類學家、社會學家長期以來一直在思考這種 “瘋狂群體（madding crowd）”的起源，這種群際極端行為的神經機制更是未知。
2020年4月27日, Nature Neuroscience線上發表了北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室，IDG/McGovern腦科學研究院馬燚娜課題組的研究成果Within-group synchronization in the prefrontal cortex associates with intergroup conflict。該研究結合多輪-多人-實時群際互動實驗正規化和功能性近紅外光譜成像（fNIRS）的多人腦神經活動同步記錄技術（hyperscanning），揭示了群體凝聚力（in-group bonding）和群體內部成員的神經活動同步性（within-group neural synchronization）在群際衝突中的作用機制。
圖 高群體凝聚力條件下，近紅外多腦同步記錄-實時互動實驗示意圖。
4，薛貴課題組在《eLife》發表文章揭示測試練習促進記憶更新的神經機制2020年5月18日北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室薛貴教授課題組在eLife線上發表了題為Retrieval practice facilitates memory updating by enhancing and differentiating medial prefrontal cortex representations的研究論文，發現測試練習可以促進記憶更新，其中的一個重要機制就是加強並分化了內側前額葉皮層（MPFC）的表徵。
研究結果說明了測試練習可以同時啟用新舊記憶，並在MPFC區域形成分化的新舊記憶表徵，從而減小記憶干擾，促進記憶更新。另外，測試練習也降低了對於感知覺皮層表徵的依賴，從而達到更持久記憶的效果。這一發現揭示了測試練習促進記憶的新機制，為有效學習的神經啟用模式再現假說（Xue，2018）提供了進一步的證據支援，並且表明啟用模式再現不僅可以促進記憶的鞏固，還有助於整合和區分不同記憶。
5，秦紹正課題組與中科院心理所李新影研究組合作在《Biological Psychiatry》發表最新研究成果：揭示消極教養壓力影響青少年抑鬱情緒的神經基礎及其遺傳效應北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室秦紹正團隊與中國科學院心理健康重點實驗室李新影研究組合作，從北京雙生子資料庫（Beijing Twin Study ，BeTwiSt）中選取了100個同卵和78個異卵的同性別雙生子進行了3年的縱向研究，以考察青少年早期（平均13歲）的母親教養方式對青少年中期（平均16歲）杏仁核腦環路發育及抑鬱症狀的影響，並明確遺傳因素所佔的比重。
研究結果表明：母親消極教養與遺傳因素透過對杏仁核與腹側前額葉腦環路的中介作用增強了青少年抑鬱的風險。這項研究提示：母親消極教養及其相關壓力等不良家庭環境，可能透過誘發應激激素如皮質醇等分泌，作用於杏仁核與前額葉環路並導致該環路發育異常，從而引發青少年抑鬱等情緒問題的發生發展。本研究為研製抑鬱等情緒問題的早期標記物以及早期干預的腦網路靶點提供新的啟示。
圖1 母親消極教養對杏仁核腦網路的預測作用
6，龔高浪研究組揭示左右腦白質纖維連線的遺傳關聯規律2020年8月14日，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室的龔高浪研究組在國際知名神經科學雜誌Cerebral Cortex線上發表了題為 “Interhemispheric relationship of genetic influence on human brain connectivity ” 的研究論文。該論文利用雙生子和家系人群的彌散磁共振腦影像資料，從遺傳度(heritability)相似性和遺傳相關性(genetic correlation)兩個角度，揭示了左右側同源腦白質連線的遺傳關聯規律。為理解健康和疾病狀態下白質連線不對稱性及共性的遺傳發生機制提供了重要線索，併為探索人腦左右半球的遺傳關聯規律提供了新的研究正規化。
圖 左右半腦白質連線的遺傳度
7，舒華教授、丁國盛教授參與eLife論文揭示中法兒童具有跨語言普遍性閱讀神經迴路文字的產生使得口耳相傳的知識和經驗得以記錄和傳承，對人腦的進化產生了革命性的影響。不同文化中的文字在設計規則、形音義之間的對映方式等方面都存在很大差異。有關人腦對不同文化的文字元號處理是否依賴一個普遍的閱讀神經迴路，一直存在分歧。近期，認知神經科學與學習國家重點實驗室舒華教授、丁國盛教授參與完成的一項跨文化比較腦成像（fMRI）研究，為回答該問題提供了研究證據。 該研究由北京師範大學、北京大學、法國巴黎高師和法國國家健康與醫學研究院的研究者合作完成。研究者在中國北京和法國巴黎共招募96名小學兒童。該研究指出，儘管中法語言結構、正字法深度、表音表意規則存在很大差異，兒童閱讀獲得/發展過程仍然依賴一個跨書寫系統的普遍核心閱讀迴路，該閱讀迴路受到閱讀水平的調節，揭示了閱讀習得和閱讀困難神經機制的跨語言普遍性。
圖：四組被試的類別特異性啟用（某一類別>其它所有類別）。不同於正常發展兒童，漢語和法語閱讀困難兒童都未在左側顳枕區出現文字加工特異的腦區，即視覺詞形區(VWFA, Visual word form area)。但對非文字類的視覺類別（如面孔，房子）的啟用模式均正常。
8，經顱直流電刺激（tDCS）可有效提升網路遊戲成癮者的調控功能近日，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室張錦濤課題組圍繞“經顱直流電刺激（tDCS）提升網路遊戲成癮者調控功能的效果和機制”在著名精神病學雜誌Journal of Psychiatry and Neuroscience和European Neuropsychopharmacology發表如下論文：“Efficacy of Single-Session Transcranial Direct Current Stimulation on Addiction-related Inhibitory Control and Craving: A Randomized Trial in Males with Internet Gaming Disorder”和“A role for the right dorsolateral prefrontal cortex in enhancing regulation of both craving and negative emotions in internet gaming disorder: A randomized trial”。
本研究首次證明tDCS可能是同時增強網路遊戲成癮者的遊戲渴求調節和負性情緒調節功能的有效干預途徑。此外，就干預起效機制而言，本研究發現綜合增強動機、情緒層面的調節和注意層面的抑制控制可能是tDCS干預成癮的起效機制之一。這些研究成果表明tDCS有望成為提升網路遊戲成癮者調控功能進而改善成癮程度的有效手段，對發展成癮個性化干預方案也有重要啟示性意義。
9，周新林研究團隊在《Developmental Science》發表封面論文揭示知覺訓練干預計算障礙及其認知機制2020年7月，發展心理學權威期刊《Developmental Science》（《發展科學》）以封面論文的形式發表了北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室周新林教授研究團隊關於發展性計算障礙的知覺訓練干預的重要發現。
發展性計算障礙（Developmental dyscalculia, 簡稱DD）屬於一種特定學習障礙，表現為數字加工和理解困難、計算的準確性和流暢性差（精神障礙診斷與統計手冊第五版，DSM-5）。根據國內外流行病學調查，DD在學齡期兒童中的發病率約為5%。 本研究首次使用隨機對照的方法考察了非符號數目加工訓練對計算障礙的干預效果，證明了計算障礙兒童的近似數字系統和符號運算之間的因果關係。本研究是神經認知發育理論在實踐中的應用，為計算障礙的干預及其潛在機制提供了實驗證據。
10，周新林研究團隊發現珠算課程可以消除計算障礙近年來，針對珠算珠心算訓練的研究已發現了珠心算訓練對學習者算術能力的促進作用。有些研究還表明，珠心算可以提升基本的數字加工效率、工作記憶、注意能力。腦科學研究顯示，珠心算可以塑造大腦，其中就包含計算障礙群體可能發育不良的大腦頂葉區域。
那麼，既然又能提高算術計算能力，又能塑造大腦，早期的珠算課程是否可以消除計算障礙？周新林團隊為了驗證珠算課程對於計算障礙的作用，選取了江蘇省南通市和常熟市，來自12個自然班的479名二、三年級的學生參與了測試。藉助珠算班級與非珠算班級的比較，該研究首次揭示了珠算課程對於計算障礙的預防及干預作用。研究啟示我們，中國的珠算課程，可能可以用於早期的學校數學教育，發揮早期預警作用，用以避免孩子出現計算障礙。
11，BABRI團隊在《Cerebral Cortex》雜誌發表認知老化相關最新研究進展近日，BABRI團隊在《Cerebral Cortex》雜誌發表了題為“Age-Related Decline in the Topological Efficiency of the Brain Structural Connectome and Cognitive Aging”的文章。本研究基於BABRI團隊多年收集的中國社群老年人大樣本腦影像資料庫，聚焦於大腦的正常老化，揭示了在正常老化過程中人腦結構連線組的拓撲結構隨年齡的改變模式，並探索了這些改變與老年人多種高階認知功能下降之間的關係。本文的共同第一作者是北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室的李馨老師，碩士生王野舟與博士生王文瀟，通訊作者是北京師範大學的張佔軍與舒妮老師。
本文的研究發現揭示了正常老化過程中人腦結構連線組的拓撲變化模式，為認知老化的個體預測提供了潛在的影像標記物，併為理解年齡、腦網路拓撲效率以及認知老化之間的關係提供了新的見解。
12，舒妮課題組與合作者在《Molecular Neurodegeneration》發表關於阿爾茨海默病臨床前期主觀認知下降的神經影像研究綜述2020年9月22日，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室舒妮課題組與首都醫科大學宣武醫院韓瓔教授團隊合作在《Molecular Neurodegeneration》（IF = 9.6）雜誌發表了題為“Neuroimaging advances regarding subjective cognitive decline in preclinical Alzheimer’s disease”的綜述文章。本文系統的總結了阿爾茨海默病（AD）臨床前期——主觀認知下降（SCD）階段的多模態神經影像研究進展以及特徵性的影像學病理改變，指出了目前研究存在的問題以及未來可能的發展方向。本文的共同第一作者是首都醫科大學宣武醫院博士生王小琪與北京師範大學博士生黃偉傑，共同通訊作者是首都醫科大學宣武醫院韓瓔教授與北京師範大學舒妮副教授。
本文透過對近二十多年的SCD神經影像研究進行檢索和綜述，從分子影像PET，到結構和功能MRI等多個影像模態對SCD人群中AD相關的神經影像學特徵進行總結，發現SCD主要在AD特徵性的腦區如海馬，內嗅皮層，以及在內側前額葉，扣帶和楔前葉等預設網路關鍵腦區出現大腦結構和功能的病理性改變（圖一）。同時也發現SCD與輕度認知障礙和AD患者具有類似的腦影像改變模式，證實SCD階段是AD臨床前期重要的臨床表現，也是AD早期篩查和干預的關鍵時間視窗。本文還提出，藉助不同模態優勢的多模態影像學研究以及結合人工智慧大資料分析的個體化精準診療將是未來研究的趨勢，有助於從多水平多維度闡明AD早期的病理生理機制，實現AD早期診斷的臨床輔助決策。
圖一、SCD的多模態腦影像病理變化特徵
13，盧春明課題組應邀在社會神經科學重要雜誌Social Cognitive and Affective Neuroscience發表綜述文章，提出人際間言語交流的認知神經層級模型語言是為滿足群體協作的需要而產生的交流工具，也是人類區別於其它動物的重要標誌之一。但是長期以來，大部分關於語言腦機制的研究都脫離了交流情境，將聽和說割裂開來單獨進行考察。因此，基於這些研究建立的語言加工認知神經機制模型可能並不適用於語言交流過程的闡釋。為此，盧春明課題組於2020年11月21日在《Social Cognitive and Affective Neurosciences》（SCAN）雜誌發表了題為“A hierarchical model for interpersonal verbal communication” 的綜述文章，提出了適用於人際間言語交流的認知神經層級模型（圖1）。
圖1 人際間言語交流的認知神經層級模型
14，實驗室發表關於兒童青少年腦預設網路發育的論文2020年11月19日，國際著名神經影像學雜誌《NeuroImage》線上發表認知神經科學與學習國家重點實驗室研究論文“Development of the Default-Mode Network during Childhood and Adolescence: A Longitudinal Resting-State fMRI Study”。該研究採用功能磁共振縱向掃描設計和基於圖論的網路分析方法，系統揭示了兒童青少年在6-14歲期間的腦預設網路發育軌跡。預設網路是人腦最為核心的功能系統之一。預設網路的節點主要包括後扣帶回/楔前葉、內側前額葉、頂下小葉、顳葉外側皮層以及海馬等區域。這些腦區在主動注意相關任務中呈現負啟用，而在自傳體記憶、情景記憶、展望未來和社會推斷等內在心理過程時呈現正啟用。兒童青少年時期，個體的認知、情感和社會能力迅速發展，同時伴隨腦結構和功能的快速發育。鑑於人腦預設網路與內在心理過程以及社會功能密切相關，探索兒童青少年時期腦預設網路的發育軌跡對於理解個體認知發展的神經機制具有重要價值。
圖1. 6-14歲兒童青少年預設網路功能連線的發育
15，盧春明課題組在神經科學重要雜誌Cerebral Cortex發表論文揭示觸覺交流促進親密關係的神經機制觸覺是人體最重要的感知通道之一。除了感知溫度、形狀等基本功能以外，觸覺在傳遞社會性和情緒資訊等方面同樣重要。特別是，觸覺在鞏固親子關係、建立和發展愛情關係等方面可能發揮著不同於口語的重要作用。然而，以往大部分腦認知研究主要關注了視聽知覺和抽象語言符號的重要作用，但是卻少有涉及觸覺的重要作用。特別是，隨著現代生活節奏的加快和現代科技帶來的生活方式的改變，人與人之間實際接觸的機會越來越少，由此可能對親密關係的建立和維繫帶來一些不確定的影響。因此，理解觸覺交流如何促進親密關係這一問題有重要的現實意義和科學價值。2020年11月，神經科學重要雜誌Cerebral Cortex線上發表了北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室盧春明課題組的研究論文《Interpersonal Neural Synchronization during Interpersonal Touch Underlies Affiliative Pair Bonding between Romantic Couples》,揭示了觸覺交流促進情侶間親密關係發展的腦間神經同步機制。論文第一作者龍宇航是國家重點實驗室的在讀博士生，研究興趣是親密社會關係下的社會交流與互動。
圖1 實驗設定和主要結果。(a)在拉手任務中，被試需要互相握住對方的手，並保持沉默和對視；在口語交流任務重，被試之間沒有肢體接觸，只是進行自由對話和對視。(b)光極放置在雙側額葉、顳葉和頂葉附近。結果發現，女性顳葉前部和男性顳頂聯合區 (CH22-18)出現了顯著的關係型別和交流方式的互動作用，即情侶拉手時的腦間同步顯著高於口語交流，而朋友則是口語交流時的腦間同步顯著高於拉手時。
16，薛貴課題組與合作者在《PNAS》發表文章揭示視覺短時記憶的多表徵及動態性特徵2020年12月7日北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室薛貴教授課題組在PNAS 線上發表了題為Stable maintenance of multiple representational formats in human visual short-term memory的研究論文。研究發現視覺短時記憶中保持了高階視覺和語義兩種表徵形式。這些表徵透過和海馬低頻相位耦合以維持穩定的工作記憶。視覺短時記憶是個體對外部世界建立連續穩定感知，並進行高階認知的基礎。早期猴子電生理研究認為短時記憶的資訊儲存是透過前額葉的持續放電來實現，但這一機制假說存在很多侷限。另外，以前工作記憶通常採用簡單視覺刺激，但是對於自然物體的工作記憶的表徵內容及其動態變化屬性仍不清楚。本研究採用了經典的延遲匹配任務，利用癲癇病人顱內腦電記錄技術，並結合深度神經網路模型和語義模型等分析方法，深入探究了視覺短時記憶表徵形式，以及這些表徵在時間上的動態變化。
圖1 實驗正規化，電極位置和表徵相似性分析示意圖
17，BABRI協作組在《NeuroImage》發表論文揭示老化過程人腦白質結構失連線的潛在葡萄糖代謝機制2020年12月，北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室BABRI協作組在神經影像領域權威期刊《NeuroImage》發表了題為“Relationship between the disrupted topological efficiency of the structural brain connectome and glucose hypometabolism in normal aging”的論文。
本研究基於北京BABRI協作組收集的中國社群老年人的多模態神經影像資料，透過彌散磁共振成像（DTI）和正電子發射斷層掃描技術（PET），對正常老化過程中大腦白質結構網路拓撲效率與大腦皮層葡萄糖代謝水平的變化模式以及兩者之間關係進行了系統研究。本文的第一作者是北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室的畢秋輝博士和王文瀟博士，通訊作者是北京師範大學的舒妮老師和中國醫學科學院北京協和醫院的崔瑞雪老師。
圖1. 正常老化腦白質連線效率和葡萄糖代謝水平之間的空間耦合性
18，形狀視覺：視皮層V4區的圓弧功能模組2020年12月1日，《eLife》期刊發表了北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室呂海東課題組的研究成果。這項研究揭示了一種新的視皮層功能模組：圓弧功能區（curvature domains）。 靈長類的大腦皮層由各種各樣的功能模組構成。例如，在初級視覺皮層，具有相同朝向偏好的細胞聚集在一起，形成朝向功能柱；在高階視覺皮層IT區，對面孔有偏好的細胞聚集在一起，形成面孔功能區。然而，中等複雜度的形狀是否也有相應的功能模組並不清楚。 在這項工作中，研究者們利用內源訊號光學成像和雙光子鈣訊號成像，在兩個不同的空間尺度對獼猴的視皮層進行了研究。他們在處理形狀資訊的重要腦區V4發現了一種新的，約0.5毫米直徑的功能模組，這些功能模組內的神經元對圓弧形狀的輪廓線反應很強，而對直線或折線反應很弱。這些功能模組被稱為“圓弧功能區”（curvature domains）。
圖一. 透過比較對兩種視覺刺激的反應，內源訊號光學成像揭示同一成像視窗內V4區的圓弧功能區，即C，D，E圖中分佈一致的黑色斑塊。F圖為用來作為對比的該成像視窗內的朝向功能區。