前额叶内部连接网络的模块化和等级结构（来源：中科院脑智卓越中心）
那么，这份小鼠全脑神经“导航地图”奥秘何在？它为大脑研究和脑疾病治疗等提供了哪些重要参考呢？
绘制大脑中的“高速铁路网络图”
定量刻画比较神经元轴突形态的相似性（来源：中科院脑智卓越中心）
就像要了解一台计算机的工作原理，需要了解其中的每一个晶体以及它们之间的联络线路一样，要了解大脑就需要首先了解它最基本的组成单元——神经元。大脑中的神经元类型丰富多样，它的轴突就像森林中的藤蔓一样，盘根错节、纵横交错。神经元通过轴突将信号长程投射到不同脑区。该成果通讯作者、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员严军表示，这种长程投射就像高铁系统，对大脑中的信息交流起着至关重要的作用。
严军说：“好比是我们中国的高铁系统，它的作用就是把人员、物资从一个城市能够很迅速地运输到我们祖国其他很远的地方。高速铁路的网络图案其实就相当于我们大脑中的长程连接的投射图谱。如果我们能够搞清楚大脑中这种长程的连接投射，就相当于能够绘制出我们大脑中的高速铁路的网络图，对我们理解大脑的功能是非常有帮助的。”
攻克神经元标记难题
因此，研究神经元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。科研团队以绘制小鼠大脑中单神经元水平的全脑投射图谱为目标展开攻关。但绘制该图谱极为复杂和耗时，是国际上公认的难题。严军表示，通过数年的努力攻关，中科院徐宁龙团队首先攻克了神经元的标记难题。
高效追踪（来源：中科院脑智卓越中心）
严军介绍：“我们大脑里面的神经元非常密集，就像森林里面的树一样，密密麻麻。我们怎么样能够看清每一棵树呢？因为树的密度非常高，如果你每一次看到的数目特别多，就什么都看不见。我们要看清每一棵树的方案，就是要很稀疏地点亮整个森林里面的某一个或者几个树，然后我们就可以绘制出树的形态。因此我们团队发展了一种非常先进的稀疏标记神经元的方案，通过注射病毒表达荧光蛋白，能够在一个完整的小鼠大脑中只表达非常少数的神经元。在这种稀疏标记下，可以看到整个神经元的形态，包括树突、轴突以及末梢的突起。”
分布规律（来源：中科院脑智卓越中心）
建立世界上最大的小鼠单细胞投射谱数据库
紧接着，严军团队又自主开发了一种TB级光学成像大数据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。
全脑光学大数据（来源：中科院脑智卓越中心）
严军说：“我们一共得到了超过6000个前额叶的神经元，它的细胞位置铺满了小鼠的前额叶，基本上全覆盖。神经元的轴突也布满整个大脑，这是世界上首次对于一个专一的脑区全覆盖的重构的投射图谱。在这个工作之前，世界上最高的记录是不超过2000个细胞的投射，而且它们重构的神经元的胞体是分布在各个位置，没有一个脑区是能够系统解析的。所以我们这是目前世界上最大的一个小鼠单细胞投射谱数据库。”
此外，在获得前额叶单神经元投射图谱后，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。
据了解，前额叶皮层在决策、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。中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明表示，这幅小鼠的脑神经元投射图谱的构建为深入研究高级认知功能的神经机制奠定了结构基础。
蒲慕明说：“这个工作主要是结构基础，我们最终希望知道我们（大脑神经元）的功能，比如哪一些神经元做什么功能，这个是非常重要的，是未来要解决的问题。有了结构的基础，我们可以进一步去理解这些功能怎么样进行的。”
为新型类脑智能系统的设计提供了思路
团队成员、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员徐宁龙指出，该成果也为新型类脑智能系统的设计提供了思路。
投射图谱（来源：中科院脑智卓越中心）
徐宁龙介绍：“现在大部分的人工智能特别是深度学习的架构里面，我们发现前额叶广泛地自上而下调控，在人工智能的网络架构里面基本上是缺失的。这个架构目前人工智能还没有想到怎么样才能够整合进去，但是我们的各种灵活的认知能力就是靠前额叶这些长程的反馈调控来实现的。而人工智能里面缺乏的就是智能系统如何灵活地应对外界环境的变化，如何泛化，所以在这方面的启发很重要。”
为深入解析脑功能、脑疾病提供精准的导航地图
团队成员、华中科技大学教授龚辉表示，这幅脑神经投射图谱也为深入解析脑功能、脑疾病提供了精准的导航地图。
龚辉说：“这项工作为完整的神经元形态建立了金标准的数据库。将来老年痴呆或其他疾病的研究，所得到的数据可以跟这个金标准的数据进行比较，所以这是一个非常重要的工作基础。”
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