//跨學科研究探尋腦部奧秘

跨學科研究探尋腦部奧秘

文:葉浩男‧圖:何杰平、編輯部

腦部決定了我們是誰,控制著我們所有的思想、情感和行為。為了揭露腦部的奧秘,澳門大學協同創新研究院認知與腦科學研究中心開展了一些極具跨學科特質的項目。探索認知與腦科學雖然挑戰極大,但這也成為研究人員投身其中的原因。

認知與腦科學研究中心內的3T功能磁共振成像系統

全球關注腦科學研究

腦部是人體最複雜的器官。成人腦部平均只有1.5公斤,約佔全身重量2%,跟一個保齡球的重量相若,卻使用身體約20%的能量。讀到這句話時,你的腦部數以千億計的神經細胞已被激活,互相傳遞生物電和化學訊號。這些複雜的訊號傳遞使我們得以接收和解讀眼球傳來的視覺訊息、從中識別詞語、將詞語組合成句、理解並形成記憶。人類對腦部的認識啟發了不少檢測及治療腦疾病的技術,以及人工神經網絡等電腦計算方法。

雖然人類對腦部的探索已有不少進展,但對於高等認知功能、記憶和自我意識如何產生等重大問題還是幾乎一無所知。根據世界衛生大會在2020年通過的一項決議,癲癇和其它神經系統疾病是導致「殘疾調整生命年」(即因過早死亡而損失的壽命加上因生活在不完全健康的狀態下而損失的生命年數)的主因,也是全球第二大死亡原因。然而,很多跟神經系統有關的疾病的發病機制仍是未解之謎,導致相關藥物的開發往往以失敗告終。

為了在認知機制、腦疾病和類腦人工智能等方面尋求根本性的科研突破,美國、歐盟、日本和其它國家多年前已開展長期的大型研究計劃。中國也在2021年啟動「科技創新2030—腦科學與類腦研究」重大項目,支持全國各地開展先進研究。

匯聚不同領域專家

澳大在2017年成立協同創新研究院(以下簡稱研究院),致力促進澳門、粵港澳大灣區及海內外高校的跨學科研究,培養創新型人才。其下設的認知與腦科學研究中心(以下簡稱研究中心)匯聚校內不同學院和研究院的專家,開展極具跨學科特質的項目。研究中心主任、健康科學學院教授袁振說:「我們每個思想和行為都來自腦部,因此我們研究中心的項目除了直接與自然科學相關,還涉及人文、社會科學、法律、教育和工商管理等領域。」

袁振教授

作為澳門領先的腦科學研究機構,研究中心重點開展成癮與決策、腦與語言認知、兒童發展、認知老化和腦疾病、腦影像與腦網絡圖譜方面的研究。該中心設有四個實驗平台,提供各類先進儀器。其中,神經影像實驗室備有一台研究專用的3T功能磁共振成像系統,以及一系列近紅外光譜腦成像系統和腦電檢測設備;腦干預實驗室有經顱電、磁刺激等多種腦刺激系統;認知與行為抽查實驗室則有一系列眼動追蹤儀和無線生理訊號記錄儀;高性能計算平台提供GPU平台,可用於深度學習任務或作為虛擬數據中心。

袁教授說,藉著這些先進設備和廣泛的跨學科合作,研究中心成員過去兩年發表了超過200篇學術期刊文章,近期多份知名期刊,包括《大腦皮層》《神經成像》《皮層》《認知神經動力學》《今日材料生物》和《臨床及轉化醫學》均刊登他們的研究成果。

研究切合澳門所需

研究中心不少項目均與澳門社會息息相關。其中,一些研究人員近兩年分析了不少成癮人士的腦部掃描,為預防和干預行為成癮提供新線索。「遊戲和賭博成癮的神經認知機制」項目負責人是社會科學學院副院長(研究)、心理學系教授胡文詩。胡教授說,在長達兩年的數據收集期中,參加者要接受多次掃描和提供資料,使研究人員得以了解遊戲和賭博成癮如何演變,從而找出可用於治療或判斷成癮程度的生物標記。

澳大研究人員也借助澳門作為一個多語言社會的特質,在另一個重點項目中招募一些居民以中文(廣東話和普通話)、英文和葡文作聽說讀寫和執行同步傳譯等跨語言任務,期間記錄他們的腦神經網絡活動。該項目負責人、人文學院副院長、翻譯傳譯認知研究中心主任李德鳳教授表示,他們的目標是分析不同語言的使用如何影響大腦的執行功能,並且為構建一個皮質表層大腦圖譜資料庫打下基礎,該資料庫將會向全球科學家開放。

一名研究參加者在澳大接受腦部掃描

語言與腦部的關係也是重要的研究領域。袁教授的團隊對比了人類與獼猴腦部中跟語言生成息息相關的布羅卡區,其後在立體像素層面找到20多個相信是演化自同一個結構的位置,有助日後構建跨物種的腦網絡圖譜。

一些研究項目則涉及神經認知障礙疾病。澳門轉化醫學創新研究院代副院長、中華醫藥研究院助理教授趙永華與袁教授合作,分析長者腸菌樣本中瘤胃球菌、毛螺菌、脫硫弧菌和大腸桿菌的增幅跟認知功能之間的負面關係。趙教授說,研究結果顯示,分析腸道中某些微生物的增減,可能有助於評估長者患上阿茲海默症等認知障礙疾病的風險。

另一方面,研究中心的一個團隊開發了多種腦機接口,並在國際和全國性的腦控打字比賽奪冠,更創下世界紀錄。電機及電腦工程系副教授萬峰研究基於不同類型的「視覺誘發電位」的腦機接口超過10年,不斷提出新的算法,促進人與電腦的連接。他的團隊正在加緊開發更高效、能「即戴即用」的腦機接口。

高性能計算平台

教育學院幼兒教育及兒童發展中心代主任、副教授張娟的團隊則主要研究兒童發展、腦與語言認知,包括閱讀障礙和自閉症兒童的腦部。他們曾利用基於「事件相關電位」的技術開展一項研究,發現華人自閉症兒童對英文重音的知覺敏感度低於健康兒童。他們也發現,自閉症兒童的右腦比左腦更活躍。張教授說,這些研究成果可以為干預兒童的行為問題提供理論參考和實踐方向。

研究中心成員也在探討許多其它課題,包括催產素這種荷爾蒙如何影響腦部區分自我與他人、開發用於裝載藥物穿越腦血管屏障到達神經膠質瘤的納米粒子、中文母語者在理解真確和虛構的中文組合詞時不同腦區域的活動,以及人們執行各類遞移推理任務時和有不誠實表現時的腦區功能性連接。

培養下一代認知神經科學家

澳大除了推動校內學者開展跨學科研究,還與不同機構緊密合作,包括於2019年與中國科學院生物物理研究所設立認知與腦科學聯合實驗室,促進粵港澳大灣區認知神經科學的研究合作。通過這些跨機構協作,研究中心正在培養新一代的認知神經科學家和專業人士,為學生提供研究資源和跨學科指導,包括由中心教學人員招收並指導博士生。另一方面,澳大與中國科學院生物物理研究所聯合開辦博士課程,學生在兩所機構的專家共同指導下開展研究。

研究中心也於2022/2023學年開辦理學碩士學位(認知神經科學)課程,指導學生學習在神經語言學、神經教育學、神經經濟學、神經影像學、類腦智能等方面用於探究大腦功能的知識與創新研究方法。該課程還致力培養學生深入理解和整合跨學科研究成果、觀點和研究方法,以探究心智、大腦和行為。

袁教授相信,澳大認知與腦科學研究的成果對澳門社會的貢獻和國際學術影響力將會與日俱增。「我們希望研究中心每項研究都能為破解大腦的奧秘提供線索。『我們是誰?』不僅是哲學問題,也是與所有人密切相關的科學問題,值得我們鍥而不捨地追尋答案。」

ISSUE26 | 2022

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