2025年度神經科學十大發現

整理：存源、丹雀

圖源：Alexey Kashpersky

前不久，我們基于Altmetric指數盤點了。由于該指數的特性，那份榜單更多側重于研究的社會影響力和大眾傳播度。

為了回歸純粹的學術語境，我們重新梳理了過去一年的重磅文獻，僅聚焦于神經科學領域的硬核學術突破，特別策劃了這期「神經科學十大年度發現」。希望這篇更具學術深度的查缺補漏的盤點，能為你的研究與思考帶來全新的啟發。

無痛電刺激或可提升數學能力近30%

數學能力的差異往往會引發教育資源和階層的不平等（即教育中的“馬太效應”）。為了探究這種差異的神經生物學根源，研究團隊開展了一項為期5天的數學學習實驗，首次揭示了大腦額頂葉網絡（Frontoparietal network）在復雜計算學習中的因果作用，并證明了經顱隨機噪聲刺激（tRNS）能夠有效幫助處于“神經生物學劣勢”的學習者提升成績。

研究團隊招募72名牛津大學學生，通過fMRI測量基線腦功能連接。同時，采用雙盲經顱隨機噪聲刺激（tRNS，高頻電刺激技術）靶向背外側前額葉皮層（dlPFC）或頂后葉皮層（PPC）腦區。此外，利用功能性磁共振成像（fMRI）測量腦區間的基線功能連接，并結合磁共振波譜（MRS）量化大腦中GABA（抑制性）和谷氨酸（興奮性）等神經遞質的濃度變化。

研究發現，對于涉及大量計算的內容，被試背外側前額葉皮質、頂后頁皮層與海馬體之間的神經連接越強，數學成績就越好。但在單純的機械記憶任務中，并未發現這種關聯。對于那些初始額頂葉連接較弱、原本被預測學習表現較差的受試者，針對dlPFC（而非PPC）進行tRNS電刺激，能夠顯著提升他們的計算學習成績。這種干預讓他們打破了基線連接較弱帶來的限制，表現追平甚至超越了優勢組。

進一步的神經化學分析表明，這種成績的提升與大腦的“興奮/抑制”平衡密切相關。當受試者dlPFC區域的抑制性神經遞質（GABA）水平下降，且伴隨額頂葉正向連接減弱時，tRNS電刺激帶來的學習改善最為顯著。這項研究表明，基于個體大腦特征的個性化神經干預，未來有望切實幫助那些因先天神經生物學特征而在數理學習中掙扎的學生，從而促進更公平的教育結果。

標題： Functional connectivity and GABAergic signaling modulate the enhancement effect of neurostimulation on mathematical learning

DOI： 10.1371/journal.pbio.3003200

AMScore： 715

發表期刊：PLOS Biology

Nature：肌電手環sEMG，

即插即用的人機交互新方式

當前的人機交互（HCI）方式，如鍵盤和觸摸屏，在移動場景下存在局限。盡管腦機接口（BCI）被認為是理想的解決方案，但高帶寬的接口通常需要侵入性手術且模型專用，而無創方案（如EEG）信噪比低，難以普及。表面肌電圖（sEMG）作為一種無創技術潛力巨大，但一直受限于跨姿勢穩健性差、缺乏標準化數據和跨用戶通用性不足等問題。

研究團隊開發了一款高靈敏度、易于佩戴的干電極sEMG腕帶，用于記錄手腕處的肌肉電信號。同時，建立了一個可擴展的數據采集架構，從數千名同意參與的測試者那里收集訓練數據。此外，利用大規模數據集訓練通用的sEMG解碼神經網絡模型，使其能夠跨人群泛化。

研究發現，該接口實現了“開箱即用”的高性能，無需針對個人進行專門訓練或校準。與此同時，離線（open-loop）測試中，手勢和手寫識別的分類準確率超過90%。在失明基準測試和連續導航任務中，新用戶每秒可完成0.66次目標捕獲，離散手勢識別速度達每秒0.88次。特別是在手寫轉錄任務中，該系統表現出極高的魯棒性，文本錄入速度達到了每分鐘20.9個單詞。此外，長期追蹤測試證實了該方案在長達一年或面臨傳感器物理位移時仍能保持穩定的交互性能。

標題： A generic non-invasive neuromotor interface for human-computer interaction

DOI： 10.1038/s41586-025-09255-w

AMScore： 752

發表期刊：Nature

Science：嬰兒失憶癥

主要源于記憶提取而非存儲障礙

嬰兒失憶癥（即成年人無法回憶嬰兒時期特定事件的現象）一直是發展心理學的重要課題。傳統理論認為這可能與嬰兒記憶編碼能力不足有關，但耶魯大學Nicholas Turk-Browne團隊通過創新性的fMRI研究提出了新的解釋。

研究團隊創新性地開發了一種的功能性磁共振成像（fMRI）裝置。這一巧妙設計允許研究人員將圖像直接投射到機器內部嬰兒頭頂上方區域。同時，父母可在附近與孩子互動安撫，而研究人員則能實時觀察嬰兒記憶形成的神經活動。

他們招募了26名年齡在4.2至24.9個月之間的嬰兒，進行視覺記憶實驗：展示新圖像后，使用fMRI記錄海馬體活動。同時，通過圖像再認測試評估記憶能力，分析海馬體活動強度與記憶表現的相關性。此外，特別關注海馬體后部（與成人情景記憶相關區域）的發育特征。

研究發現，嬰兒海馬體（特別是后部）能有效編碼記憶，12個月以上嬰兒表現更顯著。與此同時，記憶編碼能力與海馬體活動強度直接相關，證明嬰兒具備記憶形成能力。另外，研究支持檢索機制不成熟假說，表明嬰兒失憶癥主要源于記憶提取而非存儲障礙。

標題： Babies form fleeting memories

DOI： 10.1126/science.adw1923

AMScore： 831

發表期刊：Science

睡眠不足會讓你無法忘記不愉快的記憶

睡眠問題與侵入性記憶在許多心理健康問題的發生和維持中扮演重要角色。盡管已有研究表明睡眠剝奪對高階認知功能有廣泛負面影響，但其對記憶控制的具體影響機制尚不明確。本研究通過功能性神經影像學（fMRI）實驗，探討了睡眠剝奪對大腦抑制不需要記憶的能力的影響，并揭示了快速眼動（REM）睡眠在恢復這一功能中的關鍵作用。

研究團隊對85名健康成年人開展功能性神經影像學實驗，將參與者隨機分為兩組：一組在任務前正常睡眠，另一組整夜保持清醒；隨后完成記憶抑制任務，并在fMRI下記錄腦活動。

研究發現，睡眠剝奪會顯著降低記憶抑制任務中右背外側前額葉皮層的激活，同時減弱對海馬體活動的抑制。在休息充足的個體中，REM睡眠時長與右背外側前額葉激活正相關，提示REM睡眠有助于恢復前額葉的記憶控制。另一個重要結果是，睡眠剝奪導致默認模式網絡（DMN）與中央執行網絡（CCN）之間的功能連接異常，并削弱與雙側丘腦的耦合。

標題： Memory Control Deficits in the Sleep-Deprived Human Brain

DOI： 10.1073/pnas.2400743122

AMScore： 887

發表期刊：PANS

Nature： 首張全腦決策地圖發布，

顛覆大腦功能傳統認知

傳統神經科學通常孤立地研究單個或少數幾個腦區，導致對大腦如何協同工作以完成決策等復雜行為的理解是零碎的。大腦功能被普遍認為是分層處理的，但這一模型的全面性受到越來越多的挑戰。要獲得完整的圖像，需要對全腦范圍內的神經活動進行系統性的、標準化的記錄。

本研究由國際腦實驗室（International Brain Laboratory, IBL）旗下的12個團隊協作完成，確保了數據采集與分析的高度標準化。研究人員訓練小鼠完成一項視覺決策任務：根據屏幕一側出現的光線，轉動輪子以獲得獎勵。此外，在任務進行過程中，研究人員使用“神經像素探針”（Neuropixels probes）技術，以前所未有的規模，在139只小鼠的大腦中同步記錄了分布在279個腦區（占小鼠大腦體積的95%）的超過62萬個神經元的活動。

通過699次探針插入，研究者成功采集了超過62萬條神經元活動軌跡。這些數據涵蓋279個腦區，成功繪制了首張在決策行為中具有單細胞分辨率的全腦神經活動圖譜。與此同時，研究發現，決策信號并非局限于少數高級腦區，而是驚人地廣泛分布于整個大腦。從視覺輸入、證據積累、運動規劃到獎勵反饋，幾乎所有腦區都參與其中，挑戰了傳統的大腦功能分層模型。另外，基于先前經驗的“預期”信號同樣被編碼在全腦，甚至包括丘腦等初級感覺處理區域，這印證了大腦是一個“預測機器”的觀點。

標題： A brain-wide map of neural activity during complex behaviour

DOI： 10.1038/s41586-025-09235-0

AMScore： 901

發表期刊：Nature

利用納米粒子逆轉小鼠阿爾茨海默病

阿爾茨海默病（AD）是一種由淀粉樣蛋白-β（Aβ）在腦內異常積累引起的神經退行性疾病，其病理特征包括血腦屏障（BBB）的功能障礙。傳統的納米醫學常將納米粒子用作藥物載體，而本研究則開發了一種新型的“超分子藥物”，即具有生物活性的納米粒子，旨在通過修復BBB的功能來治療阿爾茨海默病。

研究團隊設計并合成了具有特定“中等親和力”的LRP1靶向聚合物囊泡（A40-POs），作為“超分子藥物”。同時，該納米粒子能夠靶向血腦屏障上的低密度脂蛋白受體相關蛋白1（LRP1），通過模擬其配體，促進LRP1介導的轉運，偏向于恢復受損的血管系統的清除功能。此外，在阿爾茨海默病模型小鼠中，通過注射納米粒子進行治療。

研究發現，注射納米粒子1小時后，小鼠腦內Aβ含量減少約50%+，2小時內，腦Aβ水平降低近45%，而血漿Aβ水平從85.3ng/ml升至673.5ng/ml，增幅達8倍，表明Aβ的腦內-血液單向清除通路被有效激活。與此同時，治療能夠有效恢復受損的血腦屏障功能，LRP1介導的Aβ清除能力得到提升。另外，在阿爾茨海默病模型小鼠中，認知功能得到了顯著改善，空間學習和記憶能力恢復至接近野生型小鼠的水平，這種認知益處持續長達6個月。

標題： Rapid amyloid-β clearance and cognitive recovery through multivalent modulation of blood–brain barrier transport

DOI： 10.1038/s41392-025-02426-1

AMScore： 918

發表期刊：Signal Transduction and Targeted Therapy

Science： 成年人海馬體神經發生新證據，

神經祖細胞持續存在至老年

海馬體是大腦中負責學習、記憶和情緒調節的關鍵區域。2013年Jonas Frisén團隊證實成年人類海馬體存在神經發生現象，但關于神經祖細胞的存在及其分裂能力一直存在爭議。

在這項新研究中，科學家結合單核RNA測序（snRNA-seq，分析單個細胞基因表達）和流式細胞術。同時，采用機器學習算法識別神經元發育階段。此外，使用RNAscope和Xenium技術進行空間定位。

研究團隊分析了從0歲-78歲的海馬體樣本，他們發現：童年期（0-5歲）神經祖細胞數量最多，能清晰觀察到“神經干細胞→中間祖細胞→神經母細胞→未成熟神經元”的完整分化軌跡；青春期（13-31歲）：神經祖細胞數量減少，但仍能通過機器學習算法識別出完整的神經發生過程，且70%的祖細胞處于細胞周期中，正在分裂增殖；成年期（20-78歲）：神經祖細胞變得更稀有，但并未消失。在40歲、58歲甚至78歲高齡的健康長者海馬體中，依然檢測到了表達增殖標志物（如Ki67/MKI67）的祖細胞。

空間轉錄組學進一步證實，這些新生細胞主要誕生并聚集在海馬體齒狀回顆粒細胞層及其鄰近的門區。此外，研究還發現神經發生的數量存在顯著的個體差異，有的70歲老人海馬體中新生活躍的細胞數量，甚至堪比年輕個體。

標題： Identification of proliferating neural progenitors in the adult human hippocampus

DOI： 10.1126/science.adu9575

AMScore： 981

發表期刊：Science

機器人外骨骼助力鋼琴家突破速度極限

鋼琴演奏者在長期練習后常遇到演奏能力平臺期，難以進一步提升速度。為了解決這一問題，研究團隊開發了一種手部外骨骼機器人，通過被動訓練幫助鋼琴家突破這一瓶頸。該研究旨在探索如何通過新型感官體驗克服運動技能的“天花板效應”，并研究其對大腦神經可塑性的影響。

研究團隊招募了118名訓練有素的鋼琴家，使用手部外骨骼開展受控實驗。外骨骼附著于右手手指，能夠快速且獨立地控制手指運動，模擬鋼琴演奏所需的復雜動作。

實驗分兩階段進行：受試者先通過自主練習達到個人速度平臺期，隨后實施被動訓練，以超過其自主能力的速度驅動手指；并在訓練前后評估演奏速度及未訓練左手的能力變化。

研究發現，訓練顯著提高了演奏速度，突破了原有平臺期；盡管僅訓練右手，左手能力亦有所提升，體現出“手間轉移效應”。功能評估顯示左側運動皮層多指協調模式發生改變，指向訓練誘發的神經可塑性。

標題： Surmounting the Ceiling Effect of Motor Expertise by Novel Sensory Experience with a Hand Exoskeleton

DOI： 10.1126/scirobotics.adn3802

AMScore： 1029

發表期刊：Science Robotics

大腦推理腦區確認，

右額葉是關鍵處理器

邏輯推理能力是人類智力的核心，但其神經機制長期存在爭議。傳統fMRI研究只能提供相關性證據，而腦損傷研究又面臨樣本量不足的挑戰。倫敦大學學院與倫敦大學學院醫院的研究團隊首次通過大規模臨床研究證實：右額葉是支持人類推理能力的核心腦區。

研究團隊采用損傷-缺陷映射（lesion-deficit mapping）技術研究247名單側腦損傷患者。同時，開發新型口頭類比推理測試（ART）和非言語演繹推理測試（DRT）。此外，使用非參數貝葉斯隨機塊模型（non-parametric Bayesian stochastic block modelling）分析腦網絡。

研究發現，右額葉損傷患者在兩項測試中錯誤率比其他患者高15%。例如，在DR測試中，健康人平均耗時30秒解決的問題，右額葉損傷患者需要額外多花1-2分鐘，且常出現邏輯鏈條斷裂。

與此同時，研究發現專門負責推理的右額葉網絡與流體智力（Gf）網絡高度重疊。其中，右額葉中部分區域（如前額葉皮層）不僅參與邏輯推導，還與解決全新問題的能力密切相關。這解釋了為何腦外傷患者可能同時出現推理障礙和適應能力下降。另外，研究表明新測試可有效識別傳統方法難以檢測的右額葉功能障礙。

標題： A right frontal network for analogical and deductive reasoning

DOI： 10.1093/brain/awaf062

AMScore： 1119

發表期刊：Brain

僅僅看到病人，大腦就會激活免疫系統，

讓身體提前做好防御準備

生物體在接觸病原體后會啟動生物免疫系統，并通過“行為免疫系統”（如社交回避）來預防接觸。然而，此前并不清楚僅憑對潛在感染的“預期”，是否足以在沒有發生任何物理接觸的情況下，就觸發真實的生物免疫反應。

研究人員設計了一個多感官虛擬現實（VR）實驗，將60名健康成年人分為四組。同時，參與者在VR中接觸具有傳染性、中性或恐懼性特征的虛擬人像，另有一組接種流感疫苗作為真實感染的對照組。

此外，綜合運用多種技術進行測量：通過心理物理學測試測量近身空間（peripersonal space, PPS）的變化；使用腦電圖（EEG）和功能性磁共振成像（fMRI）來監測和定位大腦的預期性神經活動；利用流式細胞術和質譜分析法檢測血液中免疫細胞（特別是先天淋巴細胞）的頻率和活化狀態。

研究發現，當參與者面對具有感染特征的虛擬人像時，其大腦的預期反應被激活，關鍵腦區（包括頂內溝、前運動皮層、前扣帶皮層等）活動增強，其個人防御空間（PPS）也相應擴大。

與此同時，這種虛擬威脅的預期足以引發真實的免疫反應：血液中先天淋巴細胞（ILCs）的數量和狀態發生顯著變化，表現為ILC1s減少、ILC2s和ILC前體細胞增加，這與接種流感疫苗后觀察到的免疫反應模式非常相似。

另外，fMRI數據顯示，在感知到虛擬感染威脅時，大腦感知區域與下丘腦之間的功能連接性發生了改變，表明下丘腦-垂體-腎上腺（HPA）軸是連接神經預期與免疫激活的關鍵通路。

基于以上發現，研究團隊得出結論，大腦在感知到（看見）患有傳染病的病人在附近時，就會對這種潛在的感染產生了與直接接觸真正的病原體類似的反應，讓免疫系統期提前做好準備。

標題： Neural anticipation of virtual infection triggers an immune response

DOI： 10.1038/s41593-025-02008-y

AMScore： 1453

發表期刊：Nature Neuroscience

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