发布时间：2022-04-01
作者：耿挺 来源：科技会客厅 时间：2022-04-01 09:00
数以千亿计的人类大脑神经元相互连接，编织成一张有着千万亿个结点的复杂网络。如果把网络平铺开来，就会发现它们构成了一幅最为详细的“交通地图”：不仅有高铁、高速公路等跨省市的主干道，有省市内部的地铁、省道，甚至还有最细枝末节的乡间小道。
2020年启动的“全脑介观神经联接图谱”大科学计划，吹响了中国科学家绘制大脑“交通地图”的号角，如今该计划迎来了第一个重要成果。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心严军研究组、徐宁龙研究组与华中科技大学苏州脑空间信息研究院、武汉光电国家研究中心龚辉团队合作，绘制了小鼠前额叶皮层6357个单神经元全脑投射图谱，建立了目前国际上最大的小鼠全脑介观神经联接图谱数据库。相关论文3月31日在《自然·神经科学》期刊以封面文章形式在线发表。
突破3大技术瓶颈
要绘制出大脑的“交通地图”，可以从不同尺度去看。一种是在医院里也能看的脑部磁共振成像，呈现出精度为毫米级别的图片，是宏观尺度的图谱，相当于从卫星看地面，只能看清高铁和高速公路，分辨率不够高。另一种是用电子显微镜看神经元，能实现看清细胞内部结构的微观尺度图谱，尽管精度达到了纳米级别，但观察视野相当于站在高楼上看路面，难以窥见全貌。介观则介于宏观与微观之间，分辨率为微米级，就如同从一架侦察飞机上看地面，恰好能描绘出精准的交通图。
说起来容易，做起来难。人类目前已经绘制完成的脑联接图谱模式生物只有线虫一种。而线虫仅有300个神经元，轴突总长度约为50厘米，相当于两个篮球的直径。同为模式生物的果蝇，就拥有10万个神经元，轴突总长度已经超过500米，比肩东方明珠塔。最为常见的模式生物小鼠的神经元更是高达1亿个，轴突总长度约5000公里，相当于从中国最东部到最西部的距离。
严军说，要绘制单个神经元投射谱，需要突破三大技术瓶颈：神经元的稀疏标记、全脑连续光学成像、大规模神经元追踪与计算分析。这相当于从成千上万条道路中，给一条特定的道路画上标记，并一段一段精准确定路线轨迹，最终绘制出道路的全貌。单神经元三维重构因此一直被国际科学界公认为复杂而耗时的难题，“此前最大规模的单神经元联接图谱研究也只绘制了不到2000个小鼠神经元”。
而中国科研团队先后突破了三大技术瓶颈。徐宁龙研究组通过让特定神经元细胞表达专用荧光蛋白，点亮了神经元“树林”中的“那一棵树”，实现了稀疏标记。龚辉团队开发的全脑连续显微光学成像技术fMOST，可以看清楚只有头发丝直径的二百分之一大小的纤维，达到亚微米分辨率水平，并能连续1000小时精准成像。面对成像产生的太字节数据，严军研究组从2015年开始努力攻关，自主开发了以Fast Neurite Tracer (FNT)为代表的神经元追踪及分析软件，为研究模式动物各脑区的神经联接图谱建立了一套国际领先的研究方法和流程。“从最初的7人到数百名大学生志愿者，参与了软件的测试和分析流程建立”。
3项技术突破、3支科研团队合作，使得中国科学家有了挑战小鼠介观神经联接图谱的底气和勇气。
6357个神经元的全脑投射图谱
研究团队首先瞄准的目标是小鼠的前额叶皮层。它在决策、工作记忆、注意力等高级认知功能中扮演重要角色，其结构和功能的异常会导致多种脑疾病。前额叶神经元投射范围很广，几乎覆盖大部分脑区，包括皮层、纹状体、丘脑、中脑和后脑等。
已有的研究大多利用群体神经元示踪技术来研究前额叶皮层神经元的全脑投射模式。在单个神经元水平上，前额叶神经元轴突投射的规律还不清楚。同时，现有研究表明，小鼠皮层不同脑区之间存在模块和等级结构，但是对于前额叶内部联接网络的性质还有待研究。
通过对161个小鼠的全脑成像数据分析，研究团队成功构建了6357个前额叶单神经元轴突形态。在此基础上，研究团队利用自主开发的聚类分析方法，定量刻画比较神经元轴突形态的相似性，获得了64个投射亚型，并绘制出这些神经元亚型在前额叶亚区的分布和皮层深浅层的分布。
严军表示，这6000多个单神经元基本覆盖了前额叶皮层的各项功能。其中，事关神经信号输出的长程投射神经元轴突有着有趣的“布线”规则。“我们发现不同亚型神经元的轴突可以共享一个主干，但分支却去了不同地方。”严军用了一个形象的比喻，“主干好比从北京到上海的高铁，而分支是上海的各条地铁。我们出差从北京到上海，都要乘坐高铁；到了上海之后，就乘坐不同的地铁去不同地方办事了。”
前额叶皮层被认为是大脑功能的“司令部”，此次获得的高空间分辨率投射图谱让科研人员能发现前额叶皮层内部不同的亚区也有等级结构区分。“就像是司令部里也有司令、参谋和通信员。”严军说，“这使得我们能更深入地解析前额叶皮层内部的信息交流和处理。”
此外，通过与前额叶转录组数据进行关联分析，研究人员还利用逆向示踪和单分子荧光原位杂交技术，发现单个转录组亚型对应着多个投射亚型的重要规律，突显出了单神经元投射图谱对于神经元分类的重要性。
大科学计划的第一步
“这项研究是一项工程和技术上的奇迹，它重构了小鼠前额叶皮层中超过6000个单神经元分辨率的轴突数据。”论文审稿人写道，“该数据不仅揭示了前额叶神经元令人惊叹的多样性，而且通过对它们的分析，为神经环路潜在的组织原则提供了基础。在我看来，这项研究为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源。”
“对于小鼠介观神经联接图谱的绘制，可能对人工智能带来新的启示。”徐宁龙说，例如长程投射神经元的调控机制，是人工智能深度算法等没有的，“这种调控机制的引入，将帮助人工智能更好地对环境变化做出应对”。
中科院脑科学与智能技术卓越创新中心副主任孙衍刚透露，小鼠前额叶皮层神经联接图谱的完成，只是“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的第一步。该计划将解析小鼠、斑马鱼、猕猴3种模式动物的全脑介观神经联接图谱。其中，小鼠又分了3期目标：首先是前额叶，其次是海马体，最后是下丘脑，最终形成完整的小鼠全脑介观神经联接图谱。
“有了全脑介观神经联接的结构图谱，还需要对应的神经功能图谱。”中科院院士、中科院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明指出，可以根据结构图谱，对特定的神经元进行特异性调控，从而深度探索大脑功能。
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