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香港大學科學家解開大腦謎團的重大突破
揭示重要腦區海馬體新功能 洞悉腦疾病成因和治療方案

2017年09月18日

 

由香港大學電機電子工程系林護基金教授、生物醫學工程首席教授吳學奎帶領的研究團隊在神經科學領域取得重大突破，揭示大腦中一個重要區域 — 海馬體的新功能。

研究成果剛於2017年8月在國際權威學術期刊《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表。

海馬體位於大腦皮層下方，是組成大腦邊緣系統的一個重要部分。人有兩個海馬體，分别位於左右腦半球，名字來源於這個部位的彎曲形狀貌似海馬。

海馬體佔據大腦的空間比例很小，過往的研究認爲，海馬體的功能主要是記憶和空間定位導航。

相對於海馬體，大腦皮層是哺乳類動物中最大的大腦結構，在記憶、認知、感知、注意、察覺、思考、語言和意識等功能中發揮著關鍵作用。

海馬體一直被認爲功能相對被動，以日常生活中記憶為例，海馬體負責短暫記憶儲存，重複的記憶片段會被轉存入大腦皮層，成爲永久記憶。

海馬體在空間定位導航方面，扮演著「認知地圖」（cognitive map）、「尋找方向」等（navigation）的角色，例如記住曾經去過的地方、以及如何前往想去的地點，在熟悉環境之間找出捷徑、以及新的路線等。

由於海馬體在記憶和空間定位導航有重要作用，海馬體受損，會導致一些早期症狀包括短期記憶力衰退和定向障礙。認知障礙症（前稱老年痴呆症）和其他形式的痴呆症（失智症）已證明會影響和破壞大腦中這一區域的功能。海馬體也和其他疾病如癲癇症、精神分裂症、短暫性整體遺忘症和創傷後壓力症等有很緊密的關連。

科學家對海馬體在大腦網路中的角色尚未充分了解，它與大腦内其它功能區域，尤其是大腦皮層如何互相影響聯繫達至發揮功能，一直是科學家的謎團。

由吳教授領導的研究團隊，成員包括陳維達博士、梁子倫博士和其他研究員，他們利用前沿的光遺傳學激活技術、配合藥理學抑制技術和功能核磁共振成像技術，研究靜息態的大腦活動（即在沒有特別外在刺激下的腦活動形態），是國際間能夠成熟運用有關尖端科技，探索及建構大腦活動功能網路的動態特性的極少數研究團隊之一。

研究團隊在囓齒類動物（大鼠）實驗揭示，以低頻活動*刺激海馬體，能夠激活跨大腦皮層（左右腦）區域的功能性連接，提升大腦皮層的功能活動，達到增強感知反應包括視力、聽力和觸覺等感官，提升幅度可達百分之二十，且有持續性效果。換句話說，海馬體中的低頻活動，能夠驅動大腦皮層中不同腦區之間的功能性聯合，增強視力、聽力和觸覺等。這跟以往一直以爲海馬體在大腦皮層活動只扮演被動角色，是突破性的發現。

此外，在低頻活動刺激下，海馬體本身的記憶和定位導航功能也有類似的提升。

吳教授指出，今次是對大腦功能的一項突破性發現，他說：「研究結果推翻了過往認爲海馬體只是被動腦組織的看法，直指海馬體有著大腦心臟，主導大腦皮層在感知等多方面的表現的重要功能，為了解大腦如何運作的研究帶來重大突破。上述結果顯示，用適當的低頻活動刺激海馬體，能提升大腦在的功能，有助增強學習和記憶能力。」

吳教授續說：「研究結果亦意味著對海馬體進行神經調節，有著臨床治療認知障礙症的潛在價值；並預示了靜息態腦功能核磁共振成像和神經調節技術，極具潛力應用於早期診斷一些大腦疾病, 包括認知障礙症、癡呆症、癲癇、精神分裂症、短暫性整體遺忘症和創傷後壓力症等，以及提供突破性的治療方案。」

今次是吳教授的研究團隊，繼於2016年12月在《美國國家科學院院刊》（PNAS）發表有關丘腦 （另一個和大腦皮層高度連接的腦區 ）的功能後的另一個突破性發現。團隊的研究發現，丘腦不僅僅是人們原先認為的一個被動信息轉接區，而是能夠發起不同頻率的跨腦區神經交互活動的大腦結構。

二十一世紀神經科學研究的重大挑戰，是對大規模全腦交互，尤其是產生功能和行為的神經活動模式建立一個綜合性理解，破解大腦實現思想、情緒、感知、行動和記憶等功能，其背後的網絡如何配合運作的大量的未知領域。在2010年，美國國家衛生研究院推出「人腦連接組計劃」，旨在「提供無與倫比的神經數據彙編，圖形化導航這一數據的界面，以及從未實現人類大腦活動的結論的機會」。 2013年，美國奧巴馬政府啟動「BRAIN計劃」，旨在「加速新技術的開發和應用，使研究人員能夠與思想的速度同步，捕捉大腦活動的動態圖像，以了解個別腦細胞和複雜的神經迴路間的互動情況」。2016年11月，中國啟動「中國腦計劃」，旨在「促進對負責認知的基礎神經迴路機制進行研究，以期改善腦疾病的診斷和治療，促進及啟發大腦智能技術的發展」。

*低頻活動經常出現在與學習和記憶相關的慢波睡眠期，慢波睡眠期是形容人類在睡眠間數次進入的一種深度睡眠狀態。

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