大腦的內在狀態(tài)可以影響動物行為的多個方面。對于相同的外部刺激，我們的感知、情緒、抉擇、學習和記憶等都與當前的腦狀態(tài)（brain state）密切相關。大腦的狀態(tài)是時刻變化的，例如在清醒和睡眠之間相互轉換，以及清醒時大腦警覺程度的變化等。腦狀態(tài)的動態(tài)性對于動物的生存和適應性是至關重要的。睡眠不足會損害認知能力，并增加多種疾病（如糖尿病、心血管疾病等）的患病風險。清醒時腦覺醒狀態(tài)的實時動態(tài)性則保證了動物對于外界刺激做出快速適當?shù)捻憫鋵τ趶碗s任務的執(zhí)行和精神健康都尤為重要。然而目前我們關于腦狀態(tài)動態(tài)變化的調控機制以及不同腦狀態(tài)的功能還知之甚少。本研究組將探索正常動物和疾病動物模型下腦狀態(tài)的神經調控機制，并致力于解析不同腦狀態(tài)對于動物行為以及生命健康的重要作用。
1.協(xié)同大腦狀態(tài)和運動控制的基底節(jié)環(huán)路機制
在睡眠-清醒周期中，動物的運動輸出和大腦皮層的覺醒狀態(tài)通常是協(xié)同變化的，目前我們對于這二者協(xié)同變化的大腦環(huán)路機制仍然缺乏理解。我在博士后期間的工作發(fā)現(xiàn)基底節(jié)的主要輸出核團黒質網(wǎng)狀核（SNr）是大腦狀態(tài)和運動控制的共同樞紐 （Liu et al.， Science, 2020）。然而，關于基底節(jié)參與大腦狀態(tài)調控的環(huán)路機制仍然很不清楚。例如，基底節(jié)的直接通路、間接通路和超直接通路分別起什么樣的作用，基底節(jié)中負責大腦狀態(tài)調控的環(huán)路與感覺運動環(huán)路或者邊緣情緒環(huán)路是什么樣的關系， SNr是如何調節(jié)丘腦皮層系統(tǒng)從而實現(xiàn)大腦狀態(tài)調控，以及在運動障礙疾病如帕金森綜合征模型中睡眠障礙和運動障礙的關系和基底節(jié)環(huán)路異常等。我們將使用環(huán)路追蹤，光遺傳輔助的胞外記錄，在體雙光子/單光子成像，在體寬場熒光成像，光/化學遺傳學等手段，并結合深度學習算法來系統(tǒng)探索這些問題。
2.多種神經調質系統(tǒng)如何協(xié)作調控大腦狀態(tài)
網(wǎng)狀上行激活系統(tǒng)對于維持大腦覺醒狀態(tài)是至關重要的，其包括乙酰膽堿能系統(tǒng)、多種單胺類調質系統(tǒng)以及神經肽系統(tǒng)。這些神經調質神經元向皮層和丘腦均有廣泛彌散的投射，從而激活大腦皮層丘腦系統(tǒng)。不同的神經調質系統(tǒng)同時又存在一定差異，如對于外界刺激的響應，皮層丘腦投射靶向區(qū)域，其功能紊亂通常造成不同的生理或精神類障礙。剖析各種神經調質系統(tǒng)是如何協(xié)同工作從而高效有序地實現(xiàn)大腦狀態(tài)調控是我們理解大腦狀態(tài)如何調節(jié)行為的關鍵之所在。我們將通過在體成像手段探索在不同腦狀態(tài)和行為下，不同調質系統(tǒng)的活動和遞質釋放，并進一步探索他們之間的神經環(huán)路協(xié)作機制。
3.大腦狀態(tài)與學習和記憶
學習任務后，大腦處于休息狀態(tài)包括睡眠將會顯著促進記憶的形成和鞏固。然而我們對于不同腦狀態(tài)的學習記憶功能仍然很局限。傳統(tǒng)的研究中，人們通常在動物學習特定任務后進行睡眠剝奪。 這樣的手段得到的結果往往只是相關性論證，同時我們也很難通過這種手段解析不同睡眠階段的特定功能。我們將開發(fā)閉環(huán)式光遺傳學方法來研究不同腦狀態(tài)與學習和記憶的因果性關系， 以及探索不同腦狀態(tài)對于記憶的各個元素的影響是否有異同。我們還將進一步探索睡眠、記憶和神經可塑性之間的關系。
4.大腦狀態(tài)與大腦代謝
作為動物體最耗能的器官，大腦也是產生代謝廢物最多的器官。大腦的代謝速度與大腦活動密切相關。細胞代謝物在大腦中的異常積累是造成多種神經退行性疾病的主要原因。近年來的研究表明，睡眠可以促進大腦內代謝垃圾的清理。然而，我們對于清醒-睡眠如何調控神經元代謝，代謝廢物是否直接參與腦狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)調控等問題還完全不清楚。近年來，生物化學家開發(fā)了多種熒光成像的探針分子用于探索細胞代謝的動態(tài)變化。我們將在活體動物上，開發(fā)或應用已有的探針分子監(jiān)測大腦內各特定類型細胞中的不同代謝反應在清醒-睡眠周期中動態(tài)變化，以探究大腦狀態(tài)和大腦代謝的相關性。進一步我們將探索退行性疾病模型動物中，睡眠、代謝廢物和疾病產生與發(fā)展之間的關系。
研究組組長;研究員
