更好地认识和理解大脑，不仅可以帮助治疗脑疾病，也可以为人工智能的发展提供新思路。神经元作为大脑中最基本的组成单元之一，它们之间的连接组成了复杂的大脑神经网络，复杂的神经网络构成了大脑功能的结构基础。因而理清神经元复杂的投射模式及其基本规律，对于理解大脑的组织结构和信息处理机制具有重要的意义。 　　　

     在以往的研究中，科学家只能利用群体神经元示踪的技术研究大脑中不同区域的相互联系。这样的研究构建了大脑群体神经元联接图谱的概况。随着研究的深入，群体神经元联接图谱已不能满足科研需求，而随着技术的不断进步，借助荧光显微断层成像技术(fluorescence micro-optical sectioning tomography /fMOST)以及三维单神经元重构技术，绘制更加精细的单神经元投射图谱成为了可能。 

　　小鼠前额叶单神经元投射图谱 

　　2022年，中国科学院脑科学与智能技术卓创新中心在国际著名期刊Nature Neuroscience上发表了题为《小鼠前额叶单神经元投射图谱》的研究论文。该论文首次构建了共计6357个神经元的小鼠前额叶皮层的单神经元联接图谱数据库。 

　　通过对这些神经元进行形态学的分析，团队发现小鼠前额叶皮层神经元可以分为3个大类。即皮层椎体束神经元、皮层内投射神经元、皮层丘脑束神经元。通过对这三大类型神经元形态的深入分析，作者发现其可以进一步分为64个亚型，不同亚型的神经元往往有着不同的胞体分布、神经元形态和投射模式。例如，亚型53和55主要分布于前扣带回(Anterior Cingular Area, ACA)脑区的后部且主要投射到上丘的运动相关脑区(Superior Colliculus motor related, SCm)，而亚型54和57主要分布于ACA脑区的前部且主要投射到脑桥中央灰质(Pontine central gray, PCG)（图1）。 

　　图1. 不同的神经元亚型存在胞体分布和投射脑区的异质性 

　　A． 亚型53和55以及亚型54和57的神经元胞体在三维空间的分布。 

　　B． 投射到SCm和PCG的神经元在ACA脑区的分布。 

　　C． 亚型53和55以及亚型54和57的神经元对SCm和PCG投射的轴突形态。 

　　借助单神经元联接图谱数据库，科研人员可以在单神经元水平对神经元的胞体位置、投射结构及规律进行高精度的分析。目前中科院科学家已将这套数据进行了线上共享，只要访问https://mouse.braindatacenter.cn/即可以对已发表的数据进行在线的浏览和分析。神经元之间的相互投射是大脑执行各种功能的基础，而理清神经元上下游的投射信息，往往是开展神经环路功能研究的第一步。随着单神经元投射图谱数据库的不断完善，单神经元投射图谱数据一定会成为研究中的“加速剂”，可以在课题进展的各个阶段查阅和分析单神经元的投射谱数据库，进而更好地推进课题，更好地理解脑、使用脑、保护脑。 

　　单神经元联接图谱数据库功能简介 

　　脑智卓越中心数据与计算中心结合科研成果，利用计算机图形、图像处理、计算机视觉等技术，综合用户交互体验，选取WebGL融合风格化前端套件的BS架构作为系统顶层运作方式，首次构建了共计6357个神经元的小鼠前额叶皮层的单神经元投射图谱数据库[https://mouse.digital-brain.cn/projectome/pfc]。 

　　单神经元投射图谱数据库是集神经元swc文件、投射信息、分类信息等数据共享于一体的可视化网页平台。该网站系统地展示小鼠前额叶皮层单神经元水平的投射图谱。其主要功能如下： 

　　1. 便捷搜索功能：在网页左侧导航栏提供Neurons和Regions选项，默认显示选项为Neurons。在Neurons页，Query下拉框中支持选择Anatomical region、Neuron subtype、ID等维度查询。系统默认为Anatomical region维度，用户可根据神经元的胞体位置、投射情况进行多维度组合检索自己感兴趣的神经元，搜索返回结果将在正下方展示神经元的编号。在返回结果中，勾选需加载的神经元编号，点击底部的Add to scene按钮后，则选中的神经元将以不同的颜色实时渲染到3D脑空间上，并且在右侧展示选中神经元的信息，支持查看神经元的所属样本与投射信息。另外，也支持按照类型进行检索，并批量实时渲染到视图中。 

　　2. 多元化信息可视化：系统支持脑图谱多元多维化数据可视化，除支持神经元二维与三维信息可视化，还支持脑区模型以及二维信息实时可视化。用户可点击导航栏上的Regions 选项，支持在树形结构上进行勾选或者通过搜索框进行模糊搜索。当勾选需要渲染的脑区，点击底部的Add to scene按钮后，则选中的脑区信息将已丰富的颜色实时渲染到3D脑空间上，并且在右侧展示选中脑区的信息。 

　　3. 交互式图谱可视化：在网页视图模块，用户可对渲染的脑区与神经元进行放大、缩小、拖动、旋转等交互式操作。同时，在视图上方也提供便捷的图标按钮功能区，支持用户在探索时灵活的切换水平面、矢状面、冠状面视角展示，多方向旋转方向以及全屏展示等功能。用户也可根据需要设置神经元仅显示Soma、Axon、Dendrite或者组合可视化。 

　　4. 数据下载功能：网页上已支持神经元swc数据单个或批量下载功能。单神经元swc下载：神经元渲染加载到视图中，则右侧Neurons菜单栏下会展示加载的神经元编号，点击编号后面的下载的icon，可进行单神经元swc文件的下载；批量下载：选择Query下拉框下的Neuron subtype，选择PFC项目下的分类type，如选择“2”，再展示搜索数据结果中，勾选数据，支持勾选All进行全量选择，点击底部的下载icon，对勾选的文件进行打包下载，页面弹出下载进度条；当下载进度100%，在用户默认下载路径下，可查看到以type命名的zip文件包（每个类型下载数据包含原始数据与配准后的数据）。 

　　5. 用户支持：网页右上角提供Getting Stared功能，可点击进行观看用户操作视频，了解更多详细的功能；为更好建立与用户的桥梁机制，当用户有建议或者遇到问题时，可点击Contact Us，随时与平台进行联系。   

　　相信随着脑图谱数据的广泛使用，以及数据可视化技术的不断提高，脑图谱数据可视化将更有效地深入挖掘脑图谱数据，进而更加有效的理解大脑结构和脑网络连接规则。 

　　图 小鼠前额叶单神经元投射图谱神经元形态与信息可视化 

作者 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心 钱柳钦 焦卓磊