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β细胞是人体的胰岛素“工厂”。它们对升高的血糖作出反应，分泌出胰岛素，向肌肉细胞发出信号，以吸收并利用血液中的葡萄糖。
糖尿病患者的β细胞往往不能产生足够的胰岛素：对于2型糖尿病患者而言，是由于β细胞随着时间的推移而功能下降。对于1型糖尿病患者而言，是由于自身免疫系统发生故障，并攻击、损坏了β细胞。
在一些糖尿病患者中，β细胞衰竭是基因缺陷所导致的结果。在过去的十年里，研究人员发现基因代码中的少数几个地方，一旦发生微小的错误就会干扰身体感应或产生胰岛素的能力。其结果就是医学上所说的“单基因糖尿病”。
这种单基因突变导致的糖尿病远比人们所知的要多。美国纽约哥伦比亚大学Naomi Berrie糖尿病中心的干细胞生物学家Dieter Egli博士指出，大约1%到5%的糖尿病患者属于单基因糖尿病，在全球范围内这个数字以百万计，因此“单基因糖尿病”并不是一种罕见的疾病。
几十年来，替换失去功能的β细胞一直是治疗所有类型糖尿病的“圣杯”（注：代指具有神奇能力的事物）。研究人员已经尝试了从移植胰腺到植入β细胞的多种方法，但是，这些手术的成本很高，因为它们是外来器官、细胞，身体会排斥它们，控制这种免疫排斥反应需要借助强大的免疫抑制药物，或是用某种方法将所移植的β细胞“封装”起来，以瞒过自身免疫系统。
由于单基因糖尿病是单一基因缺陷或突变的结果，新的基因技术为单基因糖尿病患者提供了治愈的希望，甚至一些2型糖尿病患者也有望获得治愈。在美国糖尿病协会（American Diabetes Association，ADA）的资助下，Dieter Egli博士和他的科研团队正在进行单基因糖尿病的研究，特别是对于一些出生时或出生不久后身体就不能产生胰岛素的病例，他们制造出干细胞，借由干细胞再制造某些特定的人体组织，包括β细胞、神经组织等。
然后，他们使用了一种名为“CRISPR-Cas9”的尖端技术，来修复那些阻止β细胞正常工作的基因错误 [1] 。在过去的一年里，这项研究取得了可喜的成果，他们已经能够纠正干细胞的突变，使β细胞重新产生胰岛素。
下一步预期，可将经过修正的 β细胞 重新植入患者体内。因为它们来源于患者自身的细胞，所以可以被身体接受而不需要应用免疫抑制药物，植入后预计能像正常β细胞那样对血糖水平做出反应，并且产生胰岛素。
然而，基因编辑所依托的科学技术太前沿了，以至于还没有被美国食药监局（FDA）批准用于人体试验。为了观察新的β细胞是否能起作用，Dieter Egli博士将修正后的人类β细胞植入β细胞受损的实验动物体内。人们欣喜地看到，通过将β细胞移植到小鼠体内，可以保护缺乏 β细胞 的小鼠免于罹患糖尿病。
Dieter Egli博士说，如果能将修正后的β细胞安全地植入患有单基因糖尿病的人体内，那就相当于治愈了糖尿病。
在基因编辑技术应用于人类之前，还有很多工作要做。一些研究者担心，用于编辑基因突变的技术可能会在其他地方引起意想不到的“偏离目标”的影响。Egli博士表示，“利用老鼠模型是一个很好的开始，但是只有在人类身上进行尝试，我们才能最终得到答案。”
即使Egli博士和其他领域的研究人员能够证明这种基因治疗是安全的，与试纸、血糖仪和胰岛素注射相比，要获得好的成本-效益比，可能还需要一些时间。虽然到那时，患者不再需要支付胰岛素、口服降糖药和其他血糖管理用品的费用，但预计个性化干细胞治疗也可能会花费每位患者数万美元，甚至更多。
据了解，目前在国内也有一些学者在进行相关研究 [2] 。因此，笔者愿意乐观地相信，随着研究的深入、技术的成熟和普及，这种可能会治愈糖尿病的新疗法将会有走出实验室、走近你我身边的那一天。让我们一同拭目以待，继续关注来自这一领域的好消息吧！
参考文献：
[1] Hasegawa Y, Hoshino Y, Ibrahim AE, et al. Generation of CRISPR/Cas9-mediated bicistronic knock-in Ins1-cre driver mice[J]. Exp Anim, 2016，65(3):319-327.
[2] 曹曦，宋丽妮，张怡尘，等. 应用CRISPR/Cas9技术制备MrgD基因敲除小鼠模型[J]. 首都医科大学学报，2018，39（4）：517-521.
DOI: 10.1038/s41467-018-05773-6
microhomology-mediated end-joining (MMEJ)
DNA double-strand break (DSB)
local accumulation of DSB repair molecules (LoAD) system
homologous recombination (HR)
non-homologous end-joining (NHEJ)
homology-independent targeted integration (HITI) system
precise integration into target chromosome (PITCh) system
single-strand template repair (SSTR)
Gaps: 以往的研究从未在多个基因组位点同时产生多种模式或多个报告基因的组合。基因插入在每个位点独立进行，在不同的基因位点上进行双或三重敲入需要一定的步骤。
横向比较： CRISPR-Cas9基因标记使用的方法有（1）同源修复HR，（2）非同源end-joining NHEJ，（3）微同源介导的end-joining MMEJ。虽然HR的方法可以非常精准的knockin，但它的载体的构建和效率远低于end-joining的方法。
工作简介 ：
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原因在于：MS2可以与RNA结合，从而报告RNA的情况，将MS2与CtIP融合，可将CtIP导向到sgRNA所在的位置，形成一个滞留，发挥CtIP增加MMEJ的功效，从而造成了更多的DNA断裂，插入效率增加。
之前我看过一篇文章，说的是CRISPR-Cas9的效果由于P53的存在而大打折扣，而P53对抗HDR是CRISPR-Cas9造成DSB无法被修复，从而介导了CRISPR-Cas9的细胞毒性。那么就会有以下两种情况：（1）P53存在时，CRISPR-Cas9效果不好，且有细胞毒性；（2）P53敲除时，CRISPR-Cas9效率增加，但有致癌的风险。以此引发临床安全性的思考，提醒在人体上使用CRISPR-Cas9治疗需要注意的安全性问题，从而以一个相对简单的故事，发表在了Nature Medicine上。所以，我们在使用基因编辑工具的时候，需要注意一下它的细胞毒性情况。
老板亲自传授的文献阅读方法
（1）FACS结果显示，没有毒性：首先转入已被证实具有细胞毒性的载体来作为对照，MS2-CtIP组没有对细胞增殖产生影响，而ZFN组有。
（2）如我前面所说，DSB如无法被修复，则是细胞毒性。在这里作者也使用DSB修复实验来代表细胞毒性实验，首先使用依托泊苷诱导DSB，然后使用anti-γ-H2AX染色来查看修复情况，发现MS2-CtIP组DSB修复活性显著高于对照组。
以上结果表明，MS2-CtIP是通过诱导DSB修复来达到低（无）细胞毒性的效果。
我就不写了。。。因为我没看明白，嘤嘤嘤。
第一部分主要讲基因编辑系统的构建及基本情况，接下来就要讲一讲它作为一个基因编辑工具的基本素养了。
太多啦！简单说一下，就是对比了MMEJ和NHEJ它们在精确敲入，非精确敲入和未敲入这三个方面的情况，得到MMEJ几乎完败NHEJ的结论咯。 看看这图画得多漂亮！
回归前面说的Gaps，同时对多个基因进行编辑呢？结果显示是可以高效、准确的对多个基因进行编辑。这部分是灰常灰常棒的。
学习一下人家的思路~
创新点在于MS2的定位效应，MS2-CtIP的增强效应，MMEJ的精巧性。
参考文献： Nakade S, Mochida K, Kunii A, et al. Biased genome editing using the local accumulation of DSB repair molecules system[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 3270.
β细胞是人体的胰岛素“工厂”。它们对升高的血糖作出反应，分泌出胰岛素，向肌肉细胞发出信号，以吸收并利用血液中的葡萄糖。
糖尿病患者的β细胞往往不能产生足够的胰岛素：对于2型糖尿病患者而言，是由于β细胞随着时间的推移而功能下降。对于1型糖尿病患者而言，是由于自身免疫系统发生故障，并攻击、损坏了β细胞。
在一些糖尿病患者中，β细胞衰竭是基因缺陷所导致的结果。在过去的十年里，研究人员发现基因代码中的少数几个地方，一旦发生微小的错误就会干扰身体感应或产生胰岛素的能力。其结果就是医学上所说的“单基因糖尿病”。
这种单基因突变导致的糖尿病远比人们所知的要多。美国纽约哥伦比亚大学Naomi Berrie糖尿病中心的干细胞生物学家Dieter Egli博士指出，大约1%到5%的糖尿病患者属于单基因糖尿病，在全球范围内这个数字以百万计，因此“单基因糖尿病”并不是一种罕见的疾病。
几十年来，替换失去功能的β细胞一直是治疗所有类型糖尿病的“圣杯”（注：代指具有神奇能力的事物）。研究人员已经尝试了从移植胰腺到植入β细胞的多种方法，但是，这些手术的成本很高，因为它们是外来器官、细胞，身体会排斥它们，控制这种免疫排斥反应需要借助强大的免疫抑制药物，或是用某种方法将所移植的β细胞“封装”起来，以瞒过自身免疫系统。
由于单基因糖尿病是单一基因缺陷或突变的结果，新的基因技术为单基因糖尿病患者提供了治愈的希望，甚至一些2型糖尿病患者也有望获得治愈。在美国糖尿病协会（American Diabetes Association，ADA）的资助下，Dieter Egli博士和他的科研团队正在进行单基因糖尿病的研究，特别是对于一些出生时或出生不久后身体就不能产生胰岛素的病例，他们制造出干细胞，借由干细胞再制造某些特定的人体组织，包括β细胞、神经组织等。
然后，他们使用了一种名为“CRISPR-Cas9”的尖端技术，来修复那些阻止β细胞正常工作的基因错误 [1] 。在过去的一年里，这项研究取得了可喜的成果，他们已经能够纠正干细胞的突变，使β细胞重新产生胰岛素。
下一步预期，可将经过修正的 β细胞 重新植入患者体内。因为它们来源于患者自身的细胞，所以可以被身体接受而不需要应用免疫抑制药物，植入后预计能像正常β细胞那样对血糖水平做出反应，并且产生胰岛素。
然而，基因编辑所依托的科学技术太前沿了，以至于还没有被美国食药监局（FDA）批准用于人体试验。为了观察新的β细胞是否能起作用，Dieter Egli博士将修正后的人类β细胞植入β细胞受损的实验动物体内。人们欣喜地看到，通过将β细胞移植到小鼠体内，可以保护缺乏 β细胞 的小鼠免于罹患糖尿病。
Dieter Egli博士说，如果能将修正后的β细胞安全地植入患有单基因糖尿病的人体内，那就相当于治愈了糖尿病。
在基因编辑技术应用于人类之前，还有很多工作要做。一些研究者担心，用于编辑基因突变的技术可能会在其他地方引起意想不到的“偏离目标”的影响。Egli博士表示，“利用老鼠模型是一个很好的开始，但是只有在人类身上进行尝试，我们才能最终得到答案。”
即使Egli博士和其他领域的研究人员能够证明这种基因治疗是安全的，与试纸、血糖仪和胰岛素注射相比，要获得好的成本-效益比，可能还需要一些时间。虽然到那时，患者不再需要支付胰岛素、口服降糖药和其他血糖管理用品的费用，但预计个性化干细胞治疗也可能会花费每位患者数万美元，甚至更多。
据了解，目前在国内也有一些学者在进行相关研究 [2] 。因此，笔者愿意乐观地相信，随着研究的深入、技术的成熟和普及，这种可能会治愈糖尿病的新疗法将会有走出实验室、走近你我身边的那一天。让我们一同拭目以待，继续关注来自这一领域的好消息吧！
参考文献：
[1] Hasegawa Y, Hoshino Y, Ibrahim AE, et al. Generation of CRISPR/Cas9-mediated bicistronic knock-in Ins1-cre driver mice[J]. Exp Anim, 2016，65(3):319-327.
[2] 曹曦，宋丽妮，张怡尘，等. 应用CRISPR/Cas9技术制备MrgD基因敲除小鼠模型[J]. 首都医科大学学报，2018，39（4）：517-521.
二十一世纪，世界生物技术的发展突飞猛进，随之也引发了一系列法律上的新问题。分析微生物及其基因是专利法意义上的发明还是科学发现？探讨其是否具备专利法保护所应具备的条件，了解发达国家加强生物技术专利保护的国际惯例，对我国的生物技术专利保护具有重要意义。
建议你多多参考下（微生物前沿）
生物教学论文参考文献
生物教学论文参考文献有哪些呢?生物教学论文参考文献是毕业论文的重要的组成部分。欢迎阅读我整理的生物教学论文参考文献，希望能够帮到大家。
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可以。基因基因基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行“编辑”，实现对特定DNA片段的敲除、加入等。而CRISPR/Cas9技术自问世以来，就有着其它基因编辑技术无可比拟的优势，技术不断改进后，更被认为能够在活细胞中最有效、最便捷地“编辑”任何基因。2015年10月，中国科学家利用基因编辑技术CRISPR/Cas9，对抑制狗骨骼肌生长的基因（MSTN）进行了敲除，培育出两只肌肉发达的“大力神”狗，成功构建了世界首个基因敲除狗模型。
嗨~来看点更专业的回答吧 ♪(･ω･)ﾉ
CRISPR/Cas基因编辑系统
CRISPR/Cas（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/Cas）系统是目前被广泛运用的基因编辑系统，其原理是由CRISPR转录产生的gRNA介导Cas核酸酶靶向目标序列，对序列进行切割。
CRISPR/Cas9基因编辑示意图
(图源：Wellcome Trust Sanger Institute,Sanger)
CRISPR/Cas基因敲除
CRISPR/Cas9系统中sgRNA(smallguideRNA)识别并结合目标基因的靶向序列，引导Cas9对结合位点进行剪切，产生DNA双链断裂（double-strandbreak,DSB），机体自身通过非同源重组（non-homologousendjoining，NHEJ）的方式修复DSB，参与修复的蛋白经常会在DNA末端插入或删除几个碱基，修复后的基因由于产生突变而导致功能丧失，从而实现机体内的基因敲除。应用：基因敲除细胞系建立、基因敲除建立动物疾病模型。技术优势：相较于在mRNA水平“敲低”目的基因的RNAi而言，CRISPR/Cas9系统造成基因序列的缺失，从而能完全沉默（即敲除）目的基因。
CRISPR/Cas基因敲入
CRISPR/Cas9系统中sgRNA(smallguideRNA)识别并结合目标基因的靶向序列，引导Cas9对结合位点进行剪切，产生DNA双链断裂（double-strandbreak,DSB），通过细胞内的同源重组（homologousrecombination，HR）修复方式，将外源供体DNA定点导入至基因组的靶位点中，从而实现基因敲入。应用：基因片段敲入细胞系建立、基因单碱基突变细胞系建立、基因敲入建立动物疾病模型。技术优势：操作简易、效率高、具有广谱性且提供BSL-1和BSL-2病毒注射及实验操作平台。
CRISPR/dCas9调控内源基因的转录激活与抑制
CRISPR-dCas9系统即是dCas9与转录激活因子（如VP64）或转录抑制因子（如KRAB）融合后，结合sgRNA能促进或抑制目的基因的表达。应用：目的基因在内源环境中过表达、诱导iPSC、抑制表达等。技术优势：操作简易、效率高、具有广谱性且提供BSL-1和BSL-2病毒注射及实验操作平台，同时可与RNAi联合作用。
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基因编辑是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。目前最高效最常用的基因编辑方法是利用CRISPR/Cas9技术进行体内体外的基因编辑。这个系统的原理是利用gRNA特异性识别靶序列，并引导Cas9核酸内切酶对靶序列的PAM上游进行切割，从而造成靶位点DNA双链断裂，随之利用细胞的非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HDR）的方式对切割位点进行修复，实现DNA水平的敲除、敲入或点突变。
你好，很高兴为你解答：
基因编辑什么意思基因编辑，又称基因组编辑或基因组工程，是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”，实现对特定DNA片段的修饰。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂（DSB），诱导生物体通过非同源末端连接（NHEJ）或同源重组（HR）来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。
基因编辑已经开始应用于基础理论研究和生产应用中，这些研究和应用，有助于生命科学的许多领域，从研究植物和动物的基因功能到人类的基因治疗。下面主要介绍基因编辑在动植物上的应用。
动物基因的靶向修饰基因编辑和牛体外胚胎培养等繁殖技术结合，允许使用合成的高度特异性的内切核酸酶直接在受精卵母细胞中进行基因组编辑。 CRISPR -Cas9进一步增加了基因编辑在动物基因靶向修饰的应用范围。CRISPR-Cas9允许通过细胞质直接注射（CDI）从而实现对哺乳动物受精卵多个靶标的一次性同时敲除（KO）。单细胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键基因以阐明其功能成为可能。植物基因的靶向修饰植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状。例如，可以通过基因编辑将重要的性状基因添加到主要农作物的特定位点，通过物理连接确保它们在育种过程中的共分离，这又称为“性状堆积”。其次，可以产生耐除草剂作物。比如，使用ZFN辅助的基因打靶，将两种除草剂抗性基因（烟草乙酰乳酸合成酶SuRA和SuRB）引入作物 。再次，可以用来防治各种病害如香蕉的条纹病毒。此外，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量，比如改良豆油品质和增加马铃薯的储存潜力。
你说的基因编辑的话，是指分子生物学相关的实验操作。专业的话分子生物学，其实其他专业也会应用到这样的实验操作，什么微生物学啊等等。本科生有些也会做些分子相关的实验操作。硕士会做，博士的话会做得更深入。
什么是基因编辑技术
基因编辑又称基因组编辑或基因组工程是一种新兴的比较精确的能对生物体基因组特定目标基因进行修饰的一种基因工程技术。
基因编辑，就是基因工程么，哎，现在的专业名词真实哗众取宠啊...如果科研单位，这个答案是必须的，学历越高越好。如果是公司，这个你本科就可以，就像社会招聘了，不过有些科研单位也有社会招聘。我有同学分别在在中科院和华生科技，所以楼主的问题我可以解答。另外，如果你对科研没有很大兴趣，转行也无不可。
神经科学的形态学研究方法可以将大量的神经信息用特定的形式来表述，从而帮助我们理解大脑中的不同部分之间的联系。它的优点在于能够有效地标注神经形态，从而更好地理解神经结构及其功能。然而它也因受到技术限制而存在一些缺点，例如对复杂的神经系统尚未能够得到很好的描述和理解。
中国土壤的盐化与碱化成分复杂且程度各不相同， 植物在长期进化过程中，从分子、细胞、生理生化水平等各个层面，形成了相应的机制来应对盐碱的胁迫，使其能够适应不同环境 。关于植物应对盐碱胁迫的内部调控机制的研究一直以来也是生物研究的热点内容， 对胁迫的信号传递和应答过程的深入了解将有助于提高作物的逆境适应能力 ，实现农业的可持续发展，并保障日益增长的世界人口的粮食安全。下面总计了5篇案例，覆盖了林木、草类植物、作物、药用植物等物种。
英文标题 ：PagWOX11/12a activates PagCYP736A12 gene that facilitates salt tolerance in poplar 发表期刊 ：Plant Biotechnol J. 影响因子 ：9.803 发表时间 ：2021/7/21 合作单位 ：中国林业科学研究院
主要结果 ： WUSCHEL related homeobox (WOX)转录因子WOX11和WOX12调控不定根和逆境响应。其在盐胁迫耐受的生理和分子调控机制仍有待进一步研究。本文研究了84K杨树(Populus alba P. glandulosa)中PagWOX11/12a在盐胁迫中的作用及其调控机制。盐胁迫强烈诱导了根系中PagWOX11/12a的生长。在杨树中过表达PagWOX11/12a可以增强其耐盐性，可以通过促进与生长相关的生物量来证明。相比之下，盐处理PagWOX11/12a的优势抑制植株的生物量增长下降。在盐胁迫条件下，过表达的PagWOX11/12a植株比未转基因的84K植株表现出更高的活性氧(ROS)清除能力和更低的过氧化氢(H2O2)积累能力，而抑制基因表现出相反的表型。
此外，PagWOX11/12a直接结合到PagCYP736A12的启动子区，调控PagCYP736A12的表达。在过表达PagWOX11/12a的杨树中，激活的PagCYP736A12可以增强活性氧清除能力，从而降低盐胁迫下根系中H2O2的含量。这些结果支持了PagWOX11/12a在杨树盐胁迫驯化中的重要作用，表明PagWOX11/12a通过直接调控杨树中PagCYP736A12的表达，调节活性氧清除，从而增强了杨树的耐盐性。
英文标题 ：Elucidating the Molecular Mechanisms by which Seed-Borne Endophytic Fungi, Epichloë gansuensis, Increases the Tolerance of Achnatherum inebrians to NaCl Stress 发表期刊 ：Int. J. Mol. Sci. 影响因子 ：5.923 发表时间 ：2021/12/7 合作单位 ：兰州大学
主要结果 ： 甘肃内生真菌增强了醉马草的耐盐性，增加了其生物量。然而，甘肃内生真菌提高寄主草耐盐性的分子机制尚不清楚。作者首先利用PacBio测序研究了醉马草的全长转录组信息。本研究共获得了738,588个全长非嵌合序列、36,105个转录本序列和27,202个完整的CDSs。共鉴定出了3558个转录因子(TFs)、15945个简单序列重复序列和963个长非编码rna。
结果表明，在NaCl浓度为0 mM和200 mM时，甘肃内生真菌在E+和E植物叶片中分别有2464和1817个基因表达差异。此外，NaCl胁迫对E+和E植株叶片中差异基因的调控量分别为4919个和502个。甘肃内生真菌差异表达了与光合作用、植物激素信号转导、氨基酸代谢、类黄酮合成过程和WRKY转录因子相关的转录本；
重要的是，在NaCl胁迫下，甘肃内生真菌上调了寄主草的生物学过程(油菜素内酯合成、氧化还原、细胞钙离子稳态、胡萝卜素合成、蛋白酶体泛素依赖蛋白分解代谢和原花青素合成)，表明寄主草对NaCl胁迫的适应能力增强。
综上所述，本研究揭示了甘肃内生真菌提高寄主耐盐性的分子机制，为利用内生菌培育耐盐牧草分子育种提供了理论依据。
英文标题 ：Comparative Transcriptome Analysis Reveals the Mechanisms Underlying Differences in Salt Tolerance Between indica and japonica Rice at Seedling Stage 发表期刊 ：Front Plant Sci. 影响因子 ：5.753 发表时间 ：2021/10/27 合作单位 ：武汉大学
主要结果 ： 筛选和培育耐盐性较强的水稻品种是应对全球盐胁迫导致的水稻减产的有效途径。然而， 品种间 特别是 亚种间 耐盐性差异的分子机制尚不清楚。本研究对 耐盐型 水稻RPY geng和 敏感型 水稻洛恢9号（Chao 2R）在盐胁迫下的转录组进行了比较分析。
盐胁迫下，Chao 2R和RPY geng的差异表达基因分别为7208和3874个。其中，两种基因型共表达的DEGs有2714个，而在Chao 2R和RPY geng中特异性表达的差异基因分别有4494和1190个。GO分析结果为两种基因型的耐盐性差异提供了更合理的解释。在盐胁迫下，Chao 2R正常生命过程基因的表达受到了严重影响，而RPY geng调控了多个胁迫相关基因的表达以适应相同强度的盐胁迫，如次生代谢过程、氧化还原过程等。此外， 基于MapMan注释和转录因子鉴定，还发现了与RPY geng特异性差异基因集耐盐性相关的重要通路和转录因子(TF)。
通过Meta-QTLs定位和同源分析 ，在15个QTL中筛选出18个盐胁迫相关候选基因。本次研究结果不仅为水稻亚种耐盐性的差异提供了新的见解，而且还为增强水稻的耐盐性的基因编辑提供了关键的靶基因。
英文标题 ：Comparative Transcriptome Analysis of Two Contrasting Chinese Cabbage (Brassica rapa L.) Genotypes Reveals That Ion Homeostasis Is a Crucial Biological Pathway Involved in the Rapid Adaptive Response to Salt Stress 发表期刊 ：Front Plant Sci. 影响因子 ：5.753 发表时间 ：2021/6/14 合作单位 ：山东农业大学
主要结果 ： 盐是影响植物产量和品质的最重要的限制因素。 不同品种的大白菜具有不同的耐盐性，但对其耐盐机制的研究较少 。本研究通过对 39个大白菜品种 的发芽袋试验，确定100 mmol /L NaCl为最适处理浓度，综合比较分析，鲜重相对值和叶片电解质渗漏量相对值是鉴定大白菜耐盐性的方便指标。研究结果表明，在盐胁迫条件下， 耐盐植物青花45 和 盐敏感植物碧雨春花 均能实现渗透调节、离子稳态和光合作用。
并且比较了两个品种的转录组动态。共鉴定出2,859个差异表达基因，其中青花45差异表达基因数量明显少于碧雨春花。VDAC促进Ca2+的释放，间接促进Na+通过SOS2途径向液泡转运。阳离子/H(+)逆向转运蛋白17和V-H + - ATP酶促进Na+和H+的交换，维持Na+在液泡内，从而减轻盐胁迫对植物的伤害。半乳糖醇合成酶和可溶性蛋白合成的增加有助于缓解盐引起的渗透胁迫，共同调控植物的Na+含量和叶绿素的生物合成，使植物适应盐胁迫。
英文标题 ：The transcriptome of saline-alkaline resistant industrial hemp (Cannabis sativa L.) exposed to NaHCO3 stress 发表期刊 ：Industrial Crops and Products 影响因子 ：5.645 发表时间 ：2021/10/15 合作单位 ：黑龙江八一农垦大学
主要结果 ： 本文报道了工业大麻NaHCO3胁迫下的基因表达谱。在这项研究中，RNA-seq被用来研究基因表达分析的工业大麻根暴露于100毫米NaHCO3(以0、 1、6和12 h为不同时长)。
结果表明，植物激素信号转导与合成、苯丙素生物合成、淀粉、蔗糖、氮、氨基酸等代谢途径可能与工业大麻在NaHCO3胁迫下的响应有关。
此外，通过加权基因共表达网络分析确定了16个模块，其中6个模块与NaHCO3胁迫显著相关。这六个模块基本上富集在与内吞作用、淀粉和蔗糖代谢、氮代谢和苯丙素生物合成相关的通路中。关键通路的枢纽基因与GTP结合蛋白、谷氨酸合成酶、海藻糖磷酸、糖基转移酶和木质素合成相关。
本研究结果揭示了工业大麻对NaHCO3胁迫响应的分子机制。
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CRISPR/Cas系统是细菌和古菌特有的一种天然防御系统，用于抵抗病毒或外源性质粒的侵害。当外源基因入侵时，该防御系统的 CRISPR 序列会表达与入侵基因组序列相识别的 RNA，然后 CRISPR 相关酶(Cas)在序列识别处切割外源基因组DNA，从而达到防御目的。
根据Cas蛋白的特点，可将CRISPR/Cas系统分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型和Ⅲ型系统需要借助复杂的蛋白复合体发挥作用，Ⅱ型系统仅借助 Cas9蛋白和sgRNA即可对靶目标进行编辑，结构简单，操作容易，因此目前主要使用Ⅱ型CRISPR/Cas9 系统。
CRISPR/Cas自诞生以来，迅速发展，已经成为生命科学领域最耀眼、最有前景的技术。尤其是近两年，在全世界科学家的共同努力下，CRISPR/Cas相关新进展新突破不断涌现。
一、基因编辑技术的发展史
基因编辑可以分为三代，第一代：ZFN；第二代：TELEN；第三代：CRISPR/Cas。这三个基因编辑技术都利用了DNA修复机制，所以我们先来了解一下DNA修复机制（ 图1 ）。[图片上传失败...(image-8dab49-1625385468208)]
图1-NHEJ修复（左），HDR修复（右）
NHEJ（Non-homologous end joining）
非同源性末端接合
NHEJ修复机制不需要任何模版，修复蛋白直接将双股裂断的DNA末端彼此拉近，在DNA连接酶的帮助下重新接合（ 图1 ）。
HDR（Homology directed repair）
同源重组修复
当细胞核内存在与损伤DNA同源的DNA片段时，HDR才能发生。
NHEJ的机制简单又不依靠模版，因而NHEJ的活性相对于HDR高出许多。但NHEJ修复出错的概率较高，容易造成移码突变等，基因编辑正是利用了这一点（ 图1 ）。
1.ZFN的识别切割机制
融合锌指模块和FokI切割结构域形成ZFN ；以二聚体的形式靶向切割每个锌指结构；特异识别3个碱基 ；组装多个锌指结构(识别12-18bp)形成的ZFN对可特异切割基因组靶点 （ 图2 ）。
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图2-ZFN基因编辑原理图
2.TALEN的识别切割机制
两个TALE靶向识别靶点两侧的序列；每个TALE融合一个FokI内切酶结构域；FokI通过TALE靶向形成二聚体切割靶点；设计灵活识别特异性强（ 图3 ）。
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图3-TELEN基因编辑原理图
3.CRISPR/Cas9的识别切割机制
crRNA通过碱基配对与 tracrRNA结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA（ 图4 ）。
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图4-CRISPR/Cas9基因编辑原理图
ZFN、TELEN、CRISPR/Cas9比较
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图5-三种基因编辑的比较
二、CRISPR/Cas技术的介绍
CRISPR/Cas9 系统的发现
1987年，在大肠杆菌的基因组中首次发现了一个特殊的重复间隔序列——CRISPR序列，随后，在其他细菌和古菌中也发现了这一特殊序列。
2005年，发现这些CRISPR序列和噬菌体的基因序列匹配度很高，说明CRISPR 可能参与了微生物的免疫防御。
2011年，CRISPR/Cas系统的分子机制被揭示：当病毒首次入侵时，细菌会将外源基因的一段序列整合到自身的CRISPR的间隔区；病毒二次入侵时，CRISPR 转录生成 前体crRNA (pre-crRNA)， pre-crRNA 经过加工形成含有与外源基因匹配序列的crRNA，该crRNA与病毒基因组的同源序列识别后，介导 Cas 蛋白结合并切割，从而保护自身免受入侵。
2013年，发现CRISPR/Cas9系统可高效地编辑基因组。随后张锋等使用CRISPR系统成功的在人类细胞和小鼠细胞中实现了基因编辑。
从此开始，CRISPR/Cas9技术给生命科学领域带来了巨大冲击，CRISPR/Cas9相关研究成果频频登上CNS等顶级期刊，近两年更是成为诺贝尔奖热门候选。
CRISPR/Cas技术的原理
CRISPR/Cas9系统的工作原理是 crRNA（ CRISPR-derived RNA ）通过碱基配对与 tracrRNA（trans-activating RNA ）结合形成 tracrRNA/crRNA 复合物，此复合物引导核酸酶 Cas9 蛋白在与 crRNA 配对的序列靶位点剪切双链 DNA。而通过人工设计 crRNA 和 tracrRNA 这两种 RNA，改造成具有引导作用的sgRNA （single guide RNA ），从而引导 Cas9 对 DNA 的定点切割（图4）。
CRISPR/Cas技术的优势
设计简单，简明的碱基互补设计原则，识别不受基因组甲基化影响，能靶向几乎任意细胞任意序列，方便同时靶向多个靶点，切割效率高。
三、CRISPR/Cas的脱靶效应
PAM**** (Protospacer adjacent motif )
前间区序列邻近基序
PAM序列区是CRISPR/Cas9系统行使切割功能的基本条件。如果靶序列 3′端没有PAM序列，即使靶序列与sgRNA序列完全匹配，Cas9蛋白也不会切割该序列位点。 PAM序列主要影响CRISPR/Cas9的DNA切割效率。在细胞水平上，NGG介导的切割效率是最高的。
sgR****NA ****(Single guide RNA )
向导 RNA
sgRNA与目标基因组相结合的 20nt 序列区决定着 CRISPR/Cas 系统的靶向特异性。CRISPR/Cas9与靶位点识别的特异性其实主要依赖于sgRNA与靠近PAM区的10~12 bp的碱基配对，而其余远离PAM序列 8~10 bp 碱基的错配对靶位点识别的影响并不明显。目前研究结果均提示，可能靠近 PAM 的 8~14 bp 序列是决定特异性的关键，其他序列也均在不同程度上影响脱靶效应。
CRISPR/Cas9的脱靶效应给研究带来了一定程度上的不确定性，也是限制其发挥更大潜力的主要原因之一。
2017年5月30日， Nature 杂志子刊 Nature Methods 刊登了美国哥伦比亚大学研究人员的一篇文章，研究人员通过CRISPR/Cas9成功修复了导致小鼠失明的基因后，对小鼠进行全基因测序，发现修复后的小鼠基因组有超过1500个单核苷酸突变，以及超过100个位点发生大片段插入或缺失（ 图6 ）。文章的结论无疑引发了巨大震动，也给正在进行中的CRISPR/Cas9带来了不确定性。
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图6--动物体内实验中CRISPR/Cas9编辑后发生意想不到的突变
仔细分析后，发现该文章并不十分严谨，文章仅有两只小鼠作为实验组，一只作为对照组，数量不足以证明结论是否只是个例。而且单碱基突变是生物体内自然现象，不能全归于CRISPR/Cas9。整个实验只基于一个sgRNA数据，且该sgRNA特异性评分很低，造成脱靶效应也应该在预料之中（ 图7 ）。
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图7--针对 Nature Methods 文章的回应
经过一系列的研究和改进，目前CRISPR系统的脱靶性已经很低，当然，要想达到理想的状态，还有很长的路要走。
四、CRISPR/Cas技术的进展
2016年6月，张锋在 Science 发表文章，发现CRISPR/Cas13a能有切割细菌的特定RNA序列。
2016年9月，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，证实CRISPR/Cas13a可以用于RNA检测。
2017年2月22日，美国纪念斯隆.凯特林癌症中心（MSK）研究人员在 Nature 杂志发文，使用腺相关病毒（AAV）介导，将CRISPR/Cas9基因编辑技术应用于CAR-T疗法。该研究既解决了传统CAR-T疗法的随机整合可能存在的潜在危害，又大大降低了CAR-T细胞发生分化或癌化的风险，赋予了CAR-T技术全新的高效性、稳定性、安全性。
2017年8月2日，Shoukhrat Mitalipov在 Nature 发表长文，使用CRISPR/Cas9技术修正了植入子宫前的人类胚胎中一种和遗传性心脏病有关的变异。该研究证实了通过编辑人类胚胎进行治疗遗传病是安全可行的。值得一提的是，该成果受到了基因编辑领域大牛George Church等人的质疑。
2017年8月11日，杨璐菡等在 Science 发表文章，通过CRISPR/Cas9技术敲除猪基因组中的内源逆转录病毒（PERV）序列，并克隆出多只PERV失活小猪。向最终实现使用猪器官进行人体器官移植的终极目标迈进了一大步。
2017年9月，杂交水稻之父”袁隆平院士宣布使用CRISPR/Cas9技术敲除与镉吸收和积累相关基因的水稻育种成功。该研究从根本上解决了水稻镉污染的问题，将扭转我国部分农作物重金属超标的问题，进而改善部分人群重金属慢性中毒的问题。
2017年10月4日，张锋在 Nature 发表论文证实CRISPR/Cas13a能够在哺乳动物细胞中编辑特定的RNA。CRISPR/Cas13a能够达到RNAi相似的降低基因表达的效率，而且有更强的特异性，且对细胞内天然的转录后调控网络的影响更小。
2017年10月19日，Jennifer Doudna在 Nature 发表文章，设计了高精确性的Cas9变体—HypaCas9。该研究极大地降低了Cas9的脱靶效应，且不降低靶向切割效率。
2017年10月25日，张锋在 Science 发表文章介绍CRISPR新系统--REPAIR，可以高效的进行RNA的单碱基修复。因为不改变DNA序列，所以为通过基因编辑治疗遗传病而又不永久影响基因组提供了新可能。
2017年10月25日，哈佛大学Broad研究所的David Liu实验室在 Nature 发表长文，报道了新型腺嘌呤基因编辑器——ecTadA-dCas9，可以将A·T碱基对转换成G·C碱基对，该技术首次实现了不依赖DNA断裂即可进行基因编辑的技术，即单碱基基因编辑技术。该技术高于其它基因组编辑方法的效率，且几乎没有随机插入、删除或其它突变等不良副作用，因此为今后大范围治疗点突变遗传疾病提供了极大的便利。
五****、展望
近几年CRISPR/Cas基因编辑技术飞速发展，推广应用到了生物、医学、农业以及环境等多个领域，造就了一批批科研奇迹，尤其是在遗传病的治疗、疾病相关基因的筛查与检测、肿瘤治疗以及动植物的改造、病原微生物防治等领域有着巨大的潜力，也将深远地影响整个世界。
特别感谢：BioArt主编给予的帮助和意见以及吉满生物吴晨提供图1-图5的图片。
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研究大脑的方法和技术有很多，想要在一篇专栏里全部囊括进来是不现实的。有专业需要的还是需要翻翻书。韩济生所编的《神经科学（第三版）》开头就是七个章节的方法介绍：形态学方法、生理药理学方法、电生理学方法、光学成像方法、脑功能成像方法、遗传学方法和行为学方法。 虽然内容不是很新，仍有可取之处。这篇文章仅浅显地做一次梳理，重点讲述成像技术。笔者也还是懵懂的学生，写这篇文章参考了老师的授课讲义、许多网络资料和书籍，但可能还是有错误的。如果发现有错，请指正。一、概述行为是大脑活动的外显，但我们无法仅从行为的衡量推测出大脑的活动规律。这不是在否定行为学研究，相反，行为学研究为脑机制研究提供了背景和指导。那么，当今我们有哪些手段能够将行为与脑关联起来？大体上可以分为三类：1. 观察（暂时性）损伤的影响a. 脑损伤b. 基因修饰c. 失活钝化作用（inactivation）2. 观察（干扰性）刺激的影响a. 药物b. TMS，tDCS，DBSc. 训练（training）3. 在行为过程中衡量脑部活动a. 电生理学b. EEG/MEGc. PET/MRIi. 结构性ii. 功能性这些技术手段要解决的问题主要有三个：第一，我们如何同时测量多个区域的活动？有些任务可能同时涉及多个脑区，比如空间知觉、记忆和计划。第二，如何衡量单一运动模式或感觉成分的影响？第三，如何找出脑区之间存在连接的证据？二、脑与认知的关联1. 脑损伤探究认知的神经基础，其主要目标之一，是建立不同脑区与神经活动和认知功能（或认知加工）之间的联系。回答这个问题的方法有很多，其中之一是对脑损伤（brain lesion）病人进行研究，找出脑区与认知加工的关联性（association）和无关联性（dissociation）。Purve's, Cognitive Neuroscience, Chapter 3假设有一组病人的脑区1（图中Region 1）受损，其在进行任务A（Task A，红色柱）时表现出明显缺陷，但在进行任务B（Task B，蓝色柱）时与常人无异，那么说明脑区1与任务A的神经活动之间有关联性，而脑区1与任务B的神经活动之间无关联性。如果能找到另一组脑区2（图中Region 2）受损的病人，他们的任务A表现与常人无异，而任务B明显有缺陷，那么从以上两个结果就可以作为以下结论的强证据：这两个脑区与这两个任务之间存在双重无关联性（double dissociation）。双重无关联性比单一的关联性和无关联性更能说明特定脑区与特定任务神经活动之间的关系，因为单一的无关联性可能是由某个一般因素（general factor）引起的，比如说任务的难度。但是，如果另一种损伤能够提供正好相反的结果，那么就更能说明两个脑区的功能独立性。不过，一般来说，被检验的脑区通常是部分无关联的，但这也能给我们提供很多信息了。这种关联性和无关联性也能从功能性核磁共振成像（fMRI）实验中得到（右图），但不限于脑损伤病人被试，也可以用健康人做被试。后面再讲fMRI的细节。另外，某些脑区损伤、脑部肿瘤或疾病也会导致行为异常，从而揭示该脑区的功能。比较著名的例子是两种失语症（Aphasia），即言语障碍。其一，是因威尔尼克区（Wernicke's area，顶枕颞联合处）受损而出现的言语理解障碍（fluent aphasia）。患者的听力没有问题，但是他们无法理解别人所说的话，自己说的话语法正确但同样欠缺意义。如果你问他们，hey bro，你刚才拿着iPad干嘛呢？他们可能会微笑着“回答”说，“现在他们没有在织什么（right at the moment they don't show a darn thing）。”有兴趣的可以看看这个视频：b站无字幕版：失语症Wernicke's Area受损 YouTube有字幕版：失语症Wernicke‘s area）。某一瞬间，你可能觉得你们处于两个平行时空，正在平行游戏（just kidding）。另一种，是因布洛卡区（Broca‘s area，左脑半球额叶下回）受损而导致的言语表达障碍（expressive aphasia）。患者能够理解你跟他们说的话，但是他们自己没有办法连贯地说一句话，就像牙牙学语的宝宝一样。比如，在解释自己去医院看牙医时，他们会说：“是...阿...星期一...阿...父亲和Peter H(他的姓名)...， 及父亲....阿...医院...及阿...星期三...星期三九点...以及 ，喔...星期二...十点， 阿，医生...两个...医生...及阿...牙齿...对的。”言语障碍还有很多，我记得高中生物书也提到过的，有兴趣的可以查阅一下相关资料。最近在英剧《慈悲街》里也看到有医生提及Paul Broca其人。故事背景刚好发生在Broca的时代吧，挺有意思的（但我还是弃剧了_(:3∠)_）。2. 药物毕竟，脑内涉及相当多的神经化学物质，使用药物进行研究也是一种手段。以人为被试的实验，我了解得不多，只听过用多巴胺做实验的。曾经有段时间（可能现在也仍旧在进行），北师大脑与认知研究所（现在并入心理学部啦）在研究多巴胺对学习的影响（不过这可能只是cover story，谁知道搞心理的心里在想什么，嗯？），给的钱还挺多（见下图招募广告）。药物对行为影响的研究被试招募广告不过，大多数此类实验还是在动物身上进行的。下图是蜘蛛被给予某种药物前后所结的网。猜猜是什么药物？提示：基本上是科研人员、程序员每日必备。答案在评论。蜘蛛被给予某种药物前后所结的网3. 脑深部电刺激术（Deep Brain Stimulation, DBS）目前，脑深部电刺激术已经应用于临床了。它发展于上世纪80年代，是治疗运动性神经系统疾病的新方法，主要运用于帕金森病（Parkinson's Disease，PD）等。它由体内刺激脉冲发放器和体外控制器组成。你可以把它看作脑起搏器，跟心起搏器的不同在于，你可以控制它的开关（心脏不行啊，停了就完蛋了）。以帕金森病的治疗为例，立体定位手术将脉冲发放器植入锁骨皮下，发放刺激的微电极定位于黑质（Substantia Nigra）。患者打开开关，就能给予黑质额外刺激，使其产生多巴胺，从而改善震颤症状。当然，微电极的植入部位视病情而定，也有放在苍白球内核的（关于帕金森病的致病机制此不赘述）。DBS治疗仪器原理示意图我看过患者自录的视频，效果还是很明显的。当开启脑起搏器后，患者的各种动作都很正常，拿东西、做手势都很平稳，然而一旦关闭开关，马上就出现双手震颤等症状了。4. 经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）脑功能成像的一般逻辑是：特定任务引发特定脑区激活。EEG和fMRI就是基于这条逻辑。不过，一个命题如果成立，那么它的逆否命题也成立。因此，上述逻辑的逆否命题也是成立的：当我们抑制某个脑区的活动性时，某种任务无法完成。损伤或捣毁某个脑区、给药、利用基因编辑技术抑制或消除特定脑区的活动性，再看行为认知表现，就是基于这一点。不过以人为被试的话，这三种手段是无法通过伦理审查的。而经颅磁刺激（TMS）技术为研究者们提供了一种适用于人的、无创的、干扰特定脑区活动的方法。在特定时刻，特定皮层对应的头皮位置，施加具有一定强度和持续时间的单个或多个磁脉冲，在脑内产生反向感应电流就能暂时地干扰该皮层的功能活动，就能检验该脑区的活动对某个实验任务的完成是否必要。经颅磁刺激有单脉冲（single-pulse）和多脉冲（repetitive）两种模式。由于脉冲作用时间段，一般是不会给被试带来伤害的。我在一次workshop中“玩”过一下TMS，脉冲发放器有点像小樱的魔法棒，拿起来挺重的。这玩意你说不危险吧，其实也有风险的。发放脉冲的时候手一定要拿稳了，不然，万一手一滑，结果抑制了脑干的活动性，出人命了是要赔光经费的。这也是TMS较少用于小脑功能研究的一个原因。TMS的缺点是很明显的。第一，它精度不高。其空间分辨率为厘米量级，不如fMRI；时间分辨率为几十毫秒，不如EEG/MEG。第二，它刺激的部位不够深，只能作用于皮层。虽然大部分神经元位于皮层灰质，但脑中还是有一些深部核团的，而TMS无法影响到它们。第三，运用于小脑研究时有局限。这一点我比较在意，因为我是搞小脑的。小脑的蚓体部分你不敢用TMS抑制啊，人家就在脑干之上。当然，我们基本也不用TMS研究小脑。5. 经颅直流电刺激（Transcranial Direct Current Stimulation, tDCS）tDCS 由阳极和阴极两个表面电极组成（不会插进脑子里的），可以用外部软件控制刺激输出类型，以微弱极化的直流电作用于大脑皮层。tDCS不是通过阈上刺激引起神经元放电，而是通过调节神经网络的活性而发挥作用。它改变的是影响神经元去极化和超极化的膜静息电位，从而改变神经元的兴奋性。阳极刺激引起膜静息电位去极化，从而提高神经元兴奋性，也使它们更容易发生同步放电；阴极刺激引起膜静息电位超极化，降低神经元兴奋性，减少同步放电。这个技术最初是用于治疗抑郁症和其他脑损伤疾病的，后来也用于帕金森病、阿尔茨海默病和精神分裂等。现在，研究发现，tDCS能通过表观遗传学（epigenetic）机制影响海马内脑源性神经营养因子（BDNF）的表达，改变细胞水平的突触可塑性，从而改善了学习和记忆（Podda, 2016）。不过这研究很新，还是在小鼠上做的，还需要更多论证，能不能适用于人的情况也不好说，就算能那啥时候能开发出保健性产品就更难说了，我劝读者淡定。关于涉及脑刺激的实验，研究者应该设置三种实验条件：1）实验刺激条件；2）控制刺激条件；3）无刺激条件（sham condition）。而实际上，许多研究中都缺少了第二或第三种条件。像我这么勇于探索的人，自然也是体验过这个技术的。我参加的那个实验是研究平衡觉的，详细内容就不说了，毕竟人家还没把文章写出来。实验中，他们需要在耳后乳突处安放电极，刺激前庭，使被试产生旋转或平移的感觉。这种流电前庭刺激（Galvanic vastibular stimulation）属于tDCS的一种变式。我参加的时候还不知道啊，做完这个实验后还跟主试小姐姐说，好好玩哦和你呆了一下午真开心呐。第二天小姐姐的师妹来问我要不要参加tDCS的一个实验呀，我查了查翻译，说“哎呀那个听起来太刺激了呀我就不去了”……感觉伤害了小姐姐的师妹。好了，回到主题上来，主试施加电流的时候，我听得见“哒”的一声“电的声音”，然后口腔内有些难以言说的奇妙感觉，然后就感觉到自己在旋转或平移——但实际上并没有，因为我的身体被固定住了。由于涉及前庭，有些人会觉得很难受，有恶心、呕吐等情况，但我觉得一切OK。三、衡量脑部活动性1. 直接的电生理记录 （Direct electrophysiological recording）电生理手段记录的是单个神经元的放电活动，可以进行胞外或胞内记录。膜片钳是一种很重要的电生理记录方式，具体的原理和方法可以写出一本书来。活体（in vivo）记录只在动物身上进行，体外（in vitro）是可以用人类的脑组织碎片的。在脑部肿瘤相关研究中，研究者们可以与医院神经外科合作，让医生们在切除脑部肿瘤的时候通知他们去取新鲜的肿瘤组织，然后尽快用人造脑脊液（artificial cerebrospinal fluid, ACSF）在适宜条件下培养，并进行电生理记录。这些切除下来的肿瘤组织往往还带有一些周边的健康脑组织，后者就成了肿瘤组织的“健康”对照。有些神经元很好记录，比如浦肯野细胞，还有些神经元的记录难于上青天，分分钟令研究者怀疑人生。最近，我的督导在进行小脑深部核团神经元的patching，一整个下午patch不到一个细胞的情况也是有的。刚来实验室的时候，我去观摩他patching，观摩了两小时。督导等到下午五点，仿佛大赦，慈眉善目地催我赶紧回家看书预习第二天功课。出门后，师兄跟我说，你督导为了顾及男人的面子，实在不想让你看他重复失败了，其实他等你一走，就会骂屎摔桌关仪器走人了，毕竟我也这样。但后来我发现，我督导真的很拼命，有时挣命patching到午夜。2. 脑电图（Electro-encephalography, EEG）脑电技术可以写若干本书出来。在此只是蜻蜓点水，拣我知道的说一说。脑电图应该是比较常见的脑部成像技术了。记录脑电信号的时候，要在头皮上安放多个电极，以收集该电极位置下随时间变化的多个皮层神经元同步放电的信号。毕竟电极那么大，只有当它底下的神经元同步放电时才能收集到电信号，不然，单个神经元的电信号就相互抵消掉了。这也得感谢我们的皮层神经元是按照同向柱状结构排列的，不然横七竖八什么也记录不到的。电极的数量有单导、8导、32导、64导，甚至还有256导。这么常用的脑研究手段，我当然也体验过啦。五年前的被试价格大概是每小时50～60元，一般一次俩小时。要洗头，去掉影响导电性的头皮屑，然后戴帽子打电极膏（edible）降电阻。期间可以出现各种各样的情况（帽子坏啦软件崩啦电阻降不下来啦），十分磨练研究者的耐心和意志。做被试的时候，打电极这一步是非常好的睡觉的时机，戏精一点的人可能会觉得自己在做头部SPA（I‘m kidding）。记录时可选择耳后电极作为参考，也可以选择用平均参考电极作为参考。眼睛上下方的电极用于记录眨眼，以消除伪迹。一般来说，主试一般都会要求被试在静息时不要想任何事情，尽量放空。说实话，有时候这对被试来说很难。因为有些被试闭上眼睛就想睡觉，比如我，所以后来我基本也不去当脑电被试了，以免干扰人家的数据，阻碍了人家发paper赢奖金走上人生巅峰的路。这也勉强还好，说想睡觉其实也不会睡着的。但有一天，我听一个朋友倾诉，他那天去做脑电被试赚零嘴钱，一进门就被主试小哥帅气的脸深深吸引，静息的时候脑子里全都是乱七八糟不堪入目的画面，完全没法克制。为小哥的数据点蜡，同时提醒各位，选主试要慎重。言归正传（我跑题了吗？挠头）。EEG的电极所记录到的信号包含了多种频率的脑电波，进行功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）分析，可得到不通频率的波的能量分布。这是一种传统的频域分析方法。某些脑区可能低频波更大更多，某些脑区可能主要是高频波。低频波往往意味着缺乏意识（比如睡眠阶段），高频波一般意味着高活动性。功率谱密度分析利用小波分析（wavelet decomposition）或滤波器（filter）可以获得EEG节律波，可粗略将其划分为五个波段（wave bands）：活动或唤醒时候出现的Gamma波，频率于30Hz，比如说，现在正在看这篇文章的你，脑子里应该是这样的波；当然了，如果没有那么高的活动性，或者比较冷静，那么应该是Beta波，频率在16～30Hz之间；放松状态下为alpha波，频率在8～15Hz之间；困倦状态下为theta波，频率在4～7Hz之间，比如，上课听不懂的时候，满脑子都是这种波；深度睡眠（非快速眼动阶段）的时候为Delta波，频率小于4Hz，本科的形政课上，我脑内基本都是这种波。我在高三期间接受过心理放松疗法，当时咨询师会在念指导语时播放所谓的alpha波音乐，来帮助我达到一种放松的状态。至于究竟有没有效果，我说不好，因为……当时没有戴EEG的帽子哈哈哈哈。另外，有研究报告说，在冥想时，与普通人相比，佛教和尚更容易出现高度清醒的Gamma波（Davidson et al., 2008）。可以说很有意思了。大概冥想是真的有用吧，但是需要坚持练习才有效果。经过包括滤波、矫正、平均叠加在内的大概10个步骤，最后可以得到不同刺激条件对应的事件相关电位（Event-related potential, ERP），从而建立刺激与应答之间的关联（stimulus response association）。一个ERP波形由一系列峰谷组成，这些电压波动反映的是若干基础或潜在独立的成分之和。如何设计ERP实验，使这些潜在独立成分能够被测量出来，是实验成功的关键。一般，在呈现视觉刺激后，首先会出现早期视觉成分C1；其次出现P1族，它具有注意效应，但受到刺激对比度的影响，而N180成分一般与错误加工有关；后面出现的P3族成分最为关键，它是内源性成分，受注意的影响。对有需要的读者，推荐几本入门读物，这里不展开了：研究及实验逻辑、基础：Steven J. Luck写的《事件相关电位基础》，目前华东师大出版社已经出版了范思陆、丁玉珑、曲折和傅世敏合译的译本；入门：赵仑写的《ERPs实验教程》；数据分析方面：魏景汉和罗跃嘉写的《事件相关电位原理与技术》。如果把每个电极/线圈随位置上的波形信息综合到一起就可以绘制出头皮表面电/磁场强度随时间变化的地形图。那我们能不能根据这些信号计算出它们的“源”空间分布？这就是脑电的“逆向问题（Inverse problem）”。很难，它的解其实有无穷多个。根据"源"分析中事先所设定的边界条件多少，我们通常可以在研究论文中看到“偶极子定位（dipole localization）”和“电流密度分布(current density distribution)”两种“源”分析模型。后者更适合研究大脑高级认知加工过程。但这种源分析得到的空间分布精度很低，远比不上fMRI。EEG厉害的地方在于时间精度，为毫秒量级。3. 核磁共振成像（Magnetic Rsonance Imaging, MRI）-原理- （以下部分译自Principles of neural science, 5th edition, chapter 20）我们知道，原子核有自旋（spin）运动，而自旋在外加磁场中会发生磁化（nuclear magnetic resonance）。1949年，Erwin Hahn发现，核磁共振的消退随该物体的化学组成而变化，这是fMRI的原理基础。MRI扫描仪由几个部分组成：1）能产生巨大磁场的超导磁体。身体里的每一个水质子都会绕轴旋转，就像一个小小的条形磁铁一样。一般来说，水质子的旋转方向都是散乱无规律的，所以身体组织的净磁场为零。但是，如果施加一个磁场，那么质子的自旋方向就对齐了。2）高频线圈（radio frequency coil，RF coil），一种设计独特的线圈，环绕着被试。根据安培定律（Ampere's law）RF线圈中短暂、快速变化的电流信号会产生一个快速变化的磁场。这第二个磁场与扫描仪中的主磁场叠加。RF线圈发出的电流称RF脉冲（RF pulse）。由RF脉冲产生的磁场使质子发生进动（precession）运动，即其自旋轴也在绕另一个轴旋转。将个体体内所有水质子活动叠加，其进动运动会产生一个随时间而变化的旋转磁场。依据法拉第定律（Faraday's law），这会在RF线圈内产生一个变化的电流。而MRI测量的就是这个电流。3）磁梯度线圈（magnetic gradient coils）。这个线圈是为了3D成像而加的。具体不赘述了。-fMRI-功能性核磁共振（functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）主要衡量的是每个体素（voxel）内脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin）的相对含量。当神经元处于激活状态时，该区域的含氧血供应增加。由于某种未知原因，供应的含氧血红蛋白量比局域耗氧量要多，因而导致该区域的含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的比值升高。含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白有着不通的磁特性。当氧分子从血红蛋白上脱落时，血红蛋白中的铁离子暴露出来。因此，脱氧血红蛋白会在周围产生一个不均匀的磁场。所以靠近这些脱氧血红蛋白的水分子所处的磁场就与别个不同了。而，磁场越不均匀，质子的横向磁化强度衰减时间（T2）越短。如果某个脑区的血氧含量较高，那么该处磁场更均匀，T2更长，成像的光点更亮。写累了，扯一扯闲话。话说，一台核磁共振仪价值几百上千万人民币，占用场地的钱还得另算。平时看到医院的大烟囱冒出白雾，就是在冷却核磁共振仪。2013年那会儿，使用两小时fMRI就得花掉2000元经费，被试费的价格是300元俩小时。实验要求被试身上不得含有金属仪器，什么镶金牙、起搏器等等的就不要想了，会出事的。毕竟磁场那么大。到了实验室之后，由主试带着一条一条询问、签署知情同意书，然后去试衣间脱下所有衣服（内裤大概是不用脱的），换上他们给的实验服（大概是病号服）。进入仪器房间前还要再用金属探测仪再检查一遍身体。呆在核磁共振仪里面，空间非常狭小，无法翻身，所以有幽闭恐惧症的也不能参加这种实验。实验中，机器的声音非常非常大，主试要给被试戴耳塞的。有一次，我的主试忘记给我耳塞了。我在实验开始前呼叫，但是主试好像并没有听到，于是我带着巨大的担忧和恐惧在进行各种认知任务。我每一秒都在担心下一秒是不是就聋了_(:3∠)_。在进行实验时，研究者至少要设计两个间隔进行条件（矩形设计），任务条件和控制条件，后者可以为静息态。然后将任务条件下的信号平均叠加，选择兴趣区（Region of interest, ROI）进行分析。另外，在呈现多种刺激时，可以使用事件相关设计，但是事件与事件之间的间隔应不少于5秒。因为fMRI的冲击响应方程提示我们，刺激之后的4～6秒，fMRI信号才达到峰值。-structural MRI-结构性核磁共振（Structural MRI）一般有两种应用。一种是基于体素的形态学分析（Voxel based morphometry, VBM），另一种是衡量连接性的弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）。VBM是一种以体素为单位的形态测量学方法，可以定量检测出脑组织各组分的密度和体积，从而能够检测出局部脑区的特征和脑组织成分的差异。它也可以得出某脑区体积与行为之间的关联性。我们可以举个论文题目当例子：《大脑局部灰质体积与戒烟结果的关系——基于体素的形态学分析》（钱微等，2014）。还有人研究了自由派和保守派的前扣带回和右侧杏仁核体积的对比（Kanai et al., 2011），还有显著呢，发在Cell子刊Current Biology（IF：4.99）上，大家自己批判性看待结果吧。Kanai et al., 2011也有研究表明，网络成瘾越久，背外侧前额叶、腹侧前扣带回和辅助运动区皮层灰质体积就越小（Yuan et al., 2011）。Yuan et al., 2011几十年前，人们就发现MRI能够测量谁扩散程度上的差异。DTI就是在此基础上发展起来的，它能够描述脑内白质纤维束每一点的局域方向。这是因为白质由许多轴突组成，而水分子沿白质纤维束反向扩散的速度是垂直方向速度的3～6倍。4. 正电子发射断层成像（postron emission tomography, PET）PET是基于对放射性示踪原子核进行检测的成像技术。被试需要被给予一些能发射正电子的原子核标记物，也就是C、O、N等原子的同位素，比如C11葡萄糖溶液。放射出来的正电子与周围粒子碰撞失去动能之后将与物质中的自由电子结合发生堙灭过程，从而释放出一对反向的光子（gamma 射线) 。 这样的光子能够被周围含有闪烁晶体( scintillator ) 的 gamma射线探头所检测到。因为每个正电子堙灭产生两个光子 ，所以 PET 扫描仪中只采用两个同时探测到的gamma射线以确保只有同时产生的反向光子才被检测。相关的两个探头的连线确定了正电子所在的直线，以便用数学的方法来重构出断层图（韩济生，2006）。右图是PET成像图。基本上，PET的实验设计和fMRI的矩形设计是一样的。但是和MRI相比，它的时间分辨率比fMRI还要糟糕（最好的是EEG），空间分辨率比MRI差一点，但也还行了。而PET技术所需的放射活性标记物也带来了一些优缺点。优点是它能够标记不通的化合物，比如葡萄糖，或者氧分子。缺点在于它有放射活性。而且非常耗时，不能重复多个任务，或者说多个任务之间所需的间隔时间很长。四、结语下图是不同脑研究技术的时间精度和空间精度大致分布图。其实还有好些研究大脑的手段还没有提到。比如在动物身上做的各种免疫组化示踪等，透明脑成像图是非常酷炫的（发文章的话会很好看）。以后有机会可以再说。每种研究手段都有它的优缺点，至少目前还没有十全十美的技术手段。在解释用这些技术得到的结果时，要谨慎、批判地去看待那些数据。