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卓越冒险 孜孜以求不怕冷板凳——走进北京大学麦戈文脑科学研究所
日期: 2018-07-21  信息来源: 本网编辑部

脑的奥秘不仅是科学家长期好奇的科学前沿,而且与人类健康、人类智力、人类未来息息相关。

如何推进科学研究,是急功近利、还是持之以恒,是中国近代科学不断面临的问题。在中国的神经科学界,也经常出现数文章、比刊物、抢热点的问题。

广义的神经科学,包含生物、心理认知、医学等多学科问题,而技术上更是物理、化学、计算、工程等多途径的“用武之地”。北京大学在心理学科方面曾拥有过汪敬熙等优秀学者,培养过张香桐等优秀毕业生,但也曾经历过相对退步的阶段。

2011年成立的北大idg麦戈文脑科学研究所聚集分散在北大的脑科学研究力量,引进新的优秀人才,提供多学科交叉的平台,并带头推动科研环境的改善,更是鼓励支持年轻人静心钻研,取得初步成效。2018年,脑科学研究所两个实验室出现令国际神经科学界称道的研究工作,北大脑研究逐步走向世界前列。

唐世明和李毓龙两位研究员的研究,都没有人们诟病的依赖经费人海战术的问题。这些年轻科学家们以智慧选择重要、深刻的问题,以能力设计优美、巧妙的实验,坚持多年,突破了困惑国际神经科学界多年的难题。北大默默地支持这些研究,而不给予过分压力,更没有要求年轻的科研人员赶紧出用于“数数字”的表面文章。唐世明本科毕业于北京航空航天学院自动化系,后转而跟随中国科学院生物物理所(和后来神经科学研究所)的郭爱克研究员做研究生,研究果蝇视觉,并于2001年在《科学》发表其第一篇论文。他到中国科学院生物物理所任研究员后,再度在《科学》发表论文,并于2005年获得国家自然科学基金会杰出青年基金。到北京师范大学任教授后,他再一次调整自己的研究方向,放弃果蝇研究,研究猫和猴的视觉。这种研究方向的转变是因为唐世明认为高等动物的视觉才更重要、更有趣,但转方向后唐世明的论文发表减少,再也没上《科学》。这时候有些人支持,有些人就不支持其工作。2011年,唐世明加盟北大,同时得到了北大idg麦戈文脑科学研究所和北大-清华生命科学联合中心的大力支持。他从助理教授做起,7年如一日坚持不懈,终于在世界上第一个成功地通过基因和光学结合的方法在活体猴脑检测出神经细胞活性,2017年和2018年连续发表多篇论文,阐述其结果。唐世明没有国外留学的背景,北大长期支持他是因为其学术水平、因为其孜孜不倦的学术追求,他的待遇与其是否有国外留学背景毫无关系。此外,他的交叉背景也为北大倍加珍惜。

李毓龙研究员是北大生物本科生,留学美国duke大学获得博士学位,后赴斯坦福大学做博士后。2012年,他回国加盟北大麦戈文脑研究所后,长期努力发明检测脑内神经递质传递信息的探针。在2018年发表论文之前,他6年没有论文,这是在国内外很多机构都难以生存的记录,但北大一直支持,因为他选择了重要问题,采用了很好的方法,而且为此不懈努力

北大idg麦戈文脑科学研究所对唐世明和李毓龙的支持,代表北大对学术优秀的鼓励,代表北大对学术坚持的支持,代表北大敢为中国先、敢创世界第一的精神。

经过7年的探索和发展,研究所依靠北大多学科优势,凭借“自主、宽松、创新”的交流机制,以一流的团队打造出众多一流的科研成果,坚持“全过程”的学生培养模式,向着全面认知脑迈出了坚实的步伐。

研究所成立签字仪式

多学科优势支撑脑研究平台

“北大脑科学研究的优势可以概括为一个‘全’字,齐全的学科门类为脑科学研究提供了充分的保障。”研究所常务副所长、心理与认知科学学院院长方方教授说道。

研究所整合了北大心理、认知、神经科学、精神疾病、信息科学、物理、化学等相关学科,联合医学部及附属医院开展研究,麦戈文研究所可谓名副其实的多学科交叉脑研究平台。

2016年,麦戈文研究所牵头成立了“北京大学脑科学与类脑研究中心”。中心研究涵盖人工智能、脑机交互、生物医学工程、脑成像等脑科学研究相关领域。

研究所的研究领域不仅全面,而且各学科都具有独特的科研优势。“北大拥有全国脑科学研究最完整的团队,而且跨学科、交叉合作研究很成功。”方方说道。

研究所另一位pi、北京大学基础医学院副院长王韵教授的研究方向主要为痛与痛觉调制的细胞信号转导通路以及神经发育和损伤修复机制。王韵教授对她的研究领域解释道:“以我所研究的疼痛为例,它是涉及多个维度的研究领域,包括感觉、情绪、认知和社会等。”

王韵的研究领域需要综合利用多学科手段,整合分子生物学、生物化学、遗传学、电生理学、形态学和行为学等研究方法。因此与其他学科研究人员的交流合作非常重要。她意识到,疼痛远比想象的复杂,对疼痛的研究不仅只在生理方面,还离不开心理和认知方面的研究。

这也是她当初加入研究所的原因之一——麦戈文的平台聚集了来自不同学科的“高手”,“高手”之间的交流总能使自己的研究受到启发。

“其他学科背景的老师帮助我们设计了一些实验,更加合理、准确地解释我们得到的现象。”王韵说道。

研究所能够在短时间内发展壮大,这得益于北京大学门类齐全的学科体系,当然,从另一个角度看,随着研究所科研团队的不断发展,科研水平的不断提高,越来越多的顶尖学者愿意加入研究所,这也促进了北大的学科建设与发展。

“麦戈文研究所的平台为各院系、各学科交叉融合起到了很好的连接作用,更好地推动着学校‘双一流’建设。在这个层面上,麦戈文研究所的愿景和北大发展的愿景是一致的。”方方说道。

“宽松、自由、创新”的交流机制

“研究所宽松的研究氛围与自由民主的科研文化氛围也是吸引我加入的原因之一。”王韵对麦戈文的交流机制印象深刻。她从这种交流中受益良多。“研究所多样的交流方式促进了pi之间的合作。”

每月一次的pi交流会为不同学科背景的pi提供了绝佳的交流机会。大家经常就某个问题争论和追问,“尽管有些问题我听不太懂,但是每次交流我都会得到启示”。

研究所pi交流会

交流会上,pi们甚至会不时质疑其他人的观点。“质疑是一种不断修正研究的过程,其他学科背景的老师总能从他的视角对我的研究提出不同看法,使我非常受益。”王韵说道。

研究所的另一大特色就是每周一次的麦戈文系列学术报告会。

每次报告会上,来自不同文化、不同学科背景的“大咖”都会将其研究领域最前沿的问题和最新的研究成果介绍给研究所的师生。在来访的过程中,师生间的学术交流和互动总可以碰撞出新的“火花”。

“从学科交叉的层面思考与提问可以为我自己的研究开辟新的方向,也使我的研究课题走得更前沿、更广阔,”王韵说道,“另外,报告会上还结识了很多过去只读过其文章而‘未曾谋面’的‘大师’。”

ucla心理系系主任gregory miller教授于2017年9月在研究所作报告

报告会的结束不意味着学术交流的结束,研究所的学生们会根据自己的兴趣将报告人的讲座整理出学术笔记,经过相关老师审核后,发布在研究所的“脑科学”公众号上,与学术同仁以及科学爱好者共享。

“与国外的专家进行两三天的交流,对双方工作都有促进。”与此同时,国外专家对北大麦戈文科学家的研究进展、对北大、对中国脑科学的发展也有了更深入的了解。

每位pi都可以及时迅速地了解到其他pi工作的进展,这得益于研究所办公室的高效工作,办公室工作人员将pi最新研究进展整理成通讯,及时在研究所内部发布,进一步通畅了pi之间的交流。

每年mit麦戈文研究所和北京的三个麦戈文研究所会联合举办不同主题的研讨会,各个研究所的代表在研讨会上分享自己的科研进展。

“两个月前我刚到美国mit麦戈文作了关于我的探针工作的报告,能与mit的老师有这样充分的交流得益于麦戈文这样的平台。”研究所pi李毓龙说道。

2016年11月在mit举办的麦戈文联合交流会

“宽松、自由、创新”,这是王韵对麦戈文研究所的文化印象最深刻的三个词。

一流团队创造一流成果

7月9日,学术期刊nature biotechnology报道了李毓龙研究组的研究论文。该研究首次开发了基于g蛋白偶联受体的乙酰胆碱荧光探针。

7月12日,学术期刊cell报道了该研究组的研究论文,该研究开发了基于相似原理的多巴胺荧光探针。这也是首个由中国团队牵头发表在国际顶尖学术期刊的神经递质分子探针研究成果。

基于g蛋白偶联受体的多巴胺探针

乙酰胆碱探针在培养细胞中表现出对乙酰胆碱特异的荧光响应

短短几天,两项重要成果,这项“不一般”技术的背后,是更“不一般”的研究团队。

今年是李毓龙在北大麦戈文工作的第6年,令他印象深刻的是,自己来北大面试的那天恰巧是研究所成立的当天。更令他印象深刻的,则是北大麦戈文研究所引进专家的严格标准。

“研究所不断通过高标准的国际招聘引进国际顶尖脑科学专家。研究所在全球范围内全年开放申请,招聘委员会每月对来自全球的应聘资料进行集中讨论和审核,以确保高质量、高水平的完成pi招聘工作。”方方介绍道。

目前,研究所共有24名pi,其中9名来自心理与认知科学学院,7名来自生命科学学院,1名来自物理学院,1名来自分子医学研究所,4名来自医学部,1名来自化学与分子工程学院,1名来自信息科学技术学院。

北京大学idg麦戈文脑科学研究所学科组成

研究所不仅汇聚了北大心理、生物、物理以及临床医学的脑科学研究力量,也连接了校内多个高水平实验室、研究中心。

研究所pi高家红所在的北京大学磁共振成像研究中心拥有专门用于脑科学研究的4台高场磁共振成像仪和1台脑磁仪。这些尖端的无创脑成像技术既是揭示健康人脑神经活动的有力工具,也是探索人类重大脑疾病诊治方法的有效手段。

3.0t磁共振成像系统

最先进的脑科学研究设备是学校多年以来对脑科学研究进行大量投入的缩影,也对科研成果的取得起到了至关重要的作用。

“北大麦戈文的学者于其所在领域从事的研究处于世界一流。”方方说道。

短短7年取得的多项重大科研成果,为我国脑科学领域研究的发展作出了重要贡献。

唐世明课题组建立了首个清醒猴双光子系统,并在neuron上发表研究论文,该研究通过在猴视觉皮层显微注射腺相关病毒(aav),转入基因编码探针,实现了清醒猴长时程双光子成像。目前该项技术已在国际国内获得应用。

清醒猴双光子成像:(a)通过显微注射aav转染gcamp5钙探针的猴初级视皮层v1荧光图像(6个月);(b)视皮层v1一个光学切面的双光子图像,在850x850微米的视场内可观测到多达2000个神经元;(c)三维的双光子图像,可以探测600微米以上深度。

罗欢课题组在plos biology上发表研究论文。该研究采用脑磁图解析了人脑进行视知觉整合的时空动态神经机制。这是中国大陆第一篇独立发表在顶尖期刊的脑磁图研究。

方方课题组在pnas发表研究论文揭示了成人大脑皮层的深度可塑性。研究发现后天知觉训练可显著改变既往的脑区功能。

结合穿颅磁刺激技术和磁共振脑成像技术研究运动知觉学习

陆林课题组在jama psychiatry杂志发表的研究成果有望攻克尼古丁依赖等病理性记忆相关精神心理问题无长期有效治疗方法这一医学与社会难题,是人们向治疗吸烟成瘾及其他物质成瘾迈出的标志性一步。

吸烟者病理性成瘾记忆的形成和再巩固过程(摘自评论文章)

在2015年召开的研究所第五次理事会上,麦戈文夫妇参加会议。在会上,麦戈文女士评价道,北大为麦戈文提供了坚定有力的支持,很好地履行了合约的承诺,研究所全体成员通力合作,迄今取得的进展超出了当初的预计。

“北大麦戈文已经成为中外合作发展科学的典范。”如麦戈文女士所说,尽管脑科学研究未来的路还很长,但研究所已在“探索大脑奥秘、造福人类”的路上迈出了坚实的一步。

第五次理事会与会人员合影

聚焦学生成长的“全过程”培养理念

“王老师极少给我们制定课题实施的详细计划。实验的具体实施时间由我们自主决定。”2010级基础医学-本博八年制徐煜在王韵实验室从事科研,他用“自主”“和睦”形容实验室的氛围。

实验室成员间的友善关系令他印象深刻。每周一次组会、各种学术会议都是大家很好的学习交流机会。

“每当成员在实验中出现疑问,在课题组群中发出问题,或找实验室其他成员求助,问题很快就得到解决,实验室‘运转’的效率非常高。”“每次组会头脑风暴中都能碰撞出思维的火花。”基础医学院2014级直博生吕天节从事神经发育与神经系统疾病的研究,他参与发表了一篇sci论文。最令他印象深刻的是实验室“开放”的氛围。

“以学生成长为导向是北大麦戈文学生培养的理念,而这个理念的‘独到之处’体现在培养的机制上。”研究所pi罗欢说道。她从事认知神经科学方向的研究。

“从项目的调研、行为实验、脑成像实验、数据分析到写文章,我要求我的学生都经历一遍。这样就保证学生具备全面的能力,有效避免了高度分工模式带来的弊端。”

“尽管一开始成果会慢一点出来,但几年后实验室会出现‘小爆发期’,很多成果‘扎堆出现’。”罗欢说道。

在这样的培养模式下,每个学生都有自己的想法、节奏与步骤,每个人研究的问题不尽相同,也给老师们带来了一定困难和挑战。

“每个学生的研究都是独立的问题,有的我也不是很了解。”罗欢坦言,这就要求老师不断与学生讨论,了解他们的进度。这也是教学相长的过程。“尽管如此,一旦成功后特别有成就感。”

“在王韵老师的实验室收获最大的是学会为人处世,提高自己的团队协作能力。”如吕天节所说,学生们不仅只学会做学术。他的理想是从事大健康产业工作。

徐煜的理想是从事医学联络官(medical science liaison)的工作。除了要求具备科研能力,这项工作还对与人交流的能力要求很高。“自主实施实验使我有充裕时间参加社团活动,社交能力得到了提高。这些都使我能够胜任医学联络官的职位,并在类似背景的博士生中具备优势。”

麦戈文研究所“全过程”培养模式还体现在重视对低年级学生的培养上。迄今为止,麦戈文研究所与北大-清华联合中心已连续7年举办神经科学暑期班。

作为组织者之一,李毓龙介绍道:“一般夏令营都是招研究生三年级学生,麦戈文暑期班则针对大一大二的学生。每期有70-100个学生。”

暑期班邀请了多名优秀的神经与认知方面的科学家为同学们分享此领域最前沿的科学进展,同时还安排了实验室参观、文献阅读展示、体育活动、晚会派对等一系列丰富精彩的活动。

2015年神经科学暑期班

“参加暑期班为学生开了一扇新的窗。”通过暑期班的学习,对神经科学感兴趣的同学可以真正了解神经科学研究是如何开展的。“很多同学在参加暑期班后,对神经科学产生兴趣,进一步出国深造。”

“还有的学生留在了我们麦戈文。”李毓龙笑着说道。

前行之路

“北大麦戈文脑科学研究所发展的愿景是‘理解脑的工作机制’,为治疗脑疾病开发一些新方法。”方方这样评价研究所的发展方向。

尽管麦戈文在一些领域已经取得很多重要成果,但未来脑科学发展任重道远,目前的研究只是“冰山一角”。

“这也意味着更多的突破和可能,”李毓龙说道,“我更多地想搞清楚不同神经元如何进行通讯连接,行使生理功能。不同情感、情绪在细胞层面到底由哪些脑区来掌管。大脑如何控制这些功能我们还不了解。我个人进一步的研究要在这些方面努力。”

“拿抑郁症来举例,目前药物可以起到作用,但我们不清楚为什么药物会起作用。”只有搞清楚机制才能更好地治疗。

李毓龙认为基础研究是未来脑科学研究取得进展的关键。

“基础研究和临床研究要并举,目前基础研究还有很多领域是空白的,还需推进交叉学科的研究来填补。举例来说,进一步对大脑的研究需要物理、化学、生物、心理以及医学在更深层次交叉融合。”

国家对于基础科学研究的重视为麦戈文脑科学研究所的发展提供了契机,对脑科学发展的部署更是麦戈文下一步发展的一剂强心剂。

国务院不久前发布的《关于全面加强基础科学研究的若干意见》把围绕“脑与认知”开展探索作为未来基础前沿科学研究的重要领域,并指出要加强对脑科学等重大科学问题的超前部署。

2016年,中国“脑科学与类脑科学研究”(brain science and brain-like intelligence technology)(“中国脑计划”)启动,确立了以探索大脑秘密、攻克脑疾病为导向的脑科学研究方向以及以建立和发展人工智能技术为导向的类脑研究方向。

“麦戈文要乘脑计划的东风,把中国脑科学研究向前推进,麦戈文将在中国脑计划中起到‘生力军’的作用。”方方介绍道。

今年3月22日,北京脑科学与类脑研究中心在北京成立。麦戈文脑科学研究所所长饶毅教授担任研究中心联合主任。

北京脑科学与类脑研究中心是中国脑计划落实的第一步。该中心又被称作“北方中心”,与成立于上海的“南方中心”共同为中国脑计划的推进贡献力量。

由多家单位合作共建的“北方中心”将结合北京“全国科技创新中心”的战略定位,重点围绕共性技术平台和资源库建设、认知障碍相关重大疾病、类脑计算与脑机智能、儿童青少年脑智发育、脑认知原理解析五方面开展攻关。

“中国的脑科学处于蓬勃发展的态势,但是和美国还有一定差距。在科研队伍数量、科学家水平、青年科学家培养等方面都需要下功夫,这也是麦戈文研究所未来努力的方向。”方方说道。

王克桢楼实验室,来自心理与认知科学、生命科学、分子医学等领域的追梦者在脑科学——这个“人类理解自然界现象和人类本身的终极疆域”里孜孜以求。

七年,北大麦戈文用实践诠释了“全面认知脑将不只是梦想”。北大麦戈文的探索之路才刚刚开始!(文/新闻网记者 王岩 图/北大idg麦戈文脑科学研究所)

编辑:山石


   
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