有着“三磅宇宙”之称的人类大脑，堪称世界上最复杂的器官。如何深入到每个细胞，破解其中奥秘？科学家迈出了具有里程碑意义的重要一步：利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术，中外联合研究团队获得了较为完整的世界首套猕猴全脑皮层的单细胞及空间转录组数据，并成功绘制出了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树。

　　这一重要性堪比人类基因组图谱的进展，由上海科研团队领衔、联合全球106名科学家共同完成。今天（7月12日）深夜，相关论文在国际顶级学术期刊《细胞》上发表。

　　▲总体实验设计。利用Stereo-seq技术采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米的空间转录组数据。同时利用显微切割结合单细胞核转录组测序技术了获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞转录组数据。通过单细胞转录组和空间转录组整合分析，绘制了食蟹猴大脑全皮层的三维单细胞图谱。 

　　从猕猴大脑入手，破译人脑基本机制 

　　人类大脑拥有上千亿个神经元，相互连接形成复杂而精细的网络，支撑着人类的心跳呼吸、喜怒哀乐、哲思创造等认知和行为。它们由哪些细胞组成？分布有何规律？对于这些脑科学基本问题的探索，科学界遇到的最大障碍就是过于复杂。

　　如何化繁为简？猕猴的大脑引起了脑科学家的关注——它只有60亿个神经元，在体积与功能上与人脑接近却又大为简化。从猕猴脑研究入手破译人类大脑的基本机制，成为全球脑科学研究的前沿热点。

　　“现在的医用脑CT精度可以达到毫米级，由此看到的是大脑的宏观图像，而我们要做的是在1微米至100微米的介观尺度上，对脑细胞进行分类、看清其特征基因的空间分布和表达模式。”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说，这是脑科学研究的重要基础。

　　▲食蟹猴全皮层的三维单细胞图谱 

　　经过两年多的艰苦实验和数据分析，研究团队获得了猕猴全皮层的三维单细胞空间分布图谱。论文通讯作者之一、中国科学院脑智卓越中心研究员李澄宇介绍，他们发现，在不同脑区的大脑皮层中，各种脑细胞的分布有各自不同特点。更有趣的是，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型。此外，通过与人脑、鼠脑相关数据的跨物种比较，研究团队还发现，多种灵长类特有的兴奋性神经元细胞分布于大脑皮层第四层，而且高度表达着多个与人类疾病相关的基因。

　　“绘制出猕猴脑细胞的分类图谱，只是迈出了第一步。”蒲慕明透露，团队将在三年内发布猕猴脑细胞的结构图谱，展示重要脑区的脑细胞连接图像，“此后还将研究绘制猕猴的脑功能图谱，对脑细胞进行动态监测，观察其电活动，从中寻找到规律，并实现操控”。

　　传统技术碰壁，新技术高原上强强联手 

　　这是一个浩大的科学项目：从3只猕猴的左半脑中，获取161张厚度10微米的切片，从中采样超过4000万个脑皮层细胞，数据量超过300T（1T相当于1000G）。

　　“过去的实验室技术很难同时获得整个猴脑单细胞分辨率下的空间转录组。”李澄宇说，他们曾经尝试过传统方法，但一次监测的细胞数太少，效率太低，根本无望完成这个规模宏大的研究项目。

　　一筹莫展之际，李澄宇从合作者那里听说华大生命科学研究院自主研发了一种超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq，可使单细胞分辨率下的空间转录组监测效率提升好几个数量级。“如果说传统空间组技术好比单反相机，仅能看清局部小范围细节，那么这种新技术就像超高精度的对地遥感卫星，既能看到城市全貌，又能看清道路、房屋，甚至车牌等细节。”

　　同时，华大的另一项自主研发技术“高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq”，可同时对细胞中所有基因进行检测，获取大量基因转录组数据。

　　欣喜若狂的李澄宇立刻与蒲慕明院士一起，带领科研骨干造访华大研究院。2021年除夕，两个团队深谈之后一拍即合，大年初二就开工准备项目启动，年初三确定项目目标及路线图。

　　一片小小的玻片，成为整个项目突破的关键。原来，在确定实验流程时，团队发现，项目成功的关键，是要让仅有10微米厚的猕猴脑切片无褶皱、无气泡地贴到检测芯片上。“最后，有学生发现，在切片上盖上玻片，防止药剂挥发，就能获得漂亮的图谱数据。”李澄宇说，这条2021年3月4日凌晨3点16分在工作群跳出的消息，为正式实验按下了启动键。3月29日，所有实验完成，团队获得了世界首套猕猴全脑皮层的单细胞及空间转录组数据。

　　接下来的两年，数据分析团队上场。即使只有161张切片，其数据量已大到惊人。如何从切片图像中识别出不同类型的脑细胞？如何为它们分类、找规律？这时，腾讯AI实验室受邀加盟。

　　凭借先进的AI图像识别技术，仅从第一只猕猴脑的切片中，系统就圈出了超过1亿个细胞。“其实，没有两个细胞是完全一样的。”腾讯AI实验室AI医疗首席科学家姚建华研究员介绍，他们通过自主研发的AI流程，结合单细胞核的测序数据，将大脑皮质细胞精准分类为264种。

　　有组织的科研，开启脑科学研究的新起点 

　　2001年，人类基因组草图的发布代表着生命科学基因组时代的到来。它不仅引发了后续蛋白质组学、基因组学、代谢组学等一系列研究的产生，还带来了至少40万亿美元的生命科技产业。

　　在华大生命科学研究院院长徐讯看来，猕猴脑图谱的这一步突破，与人类基因组草图的诞生有着相似的重要性。“今天发布的成果，只是让我们对猕猴大脑的框架有了初步认识，却是一个崭新的起点。”目前，科研团队已利用所获得数据，创建了猕猴全脑皮层细胞数据库，后续可对不同脑区开展更深入细致的研究，比如脑细胞随时间变化的规律、大脑演化机制、脑相关疾病等，为后续脑科学研究源源不断开创新机遇。

　　人类大脑作为世界上唯一的通用智能实体，理解脑的演化是我们理解智能产生的重要途经。在这一过程中，有大量世界级难题需要攻克。“这么多顶尖团队的加入，给了我们底气，敢于去做更难的事情。”蒲慕明说，比目前所获成果更值得一提的是，项目在国内开创了脑科学基础研究“有组织的科研”的先河。 

　　“过去，脑科学研究长期局限于单个或几个课题组的单打独斗，这次我们探索了一条多个高水平团队联合攻关的道路，这对我国在脑科学研究上推行大科学项目，具有重要意义。”蒲慕明透露，接下去团队将把切片范围从左脑拓展到右脑，争取在2035年完成猕猴全脑介观图谱，在2050年完成人类全脑介观图谱的研究。 

　　中国科学院院士、海南大学校长骆清铭对此表示认同。“这是一个各国脑计划优先布局的研究热点。”他表示，这项研究由脑智卓越中心、华大、腾讯、临港实验室等17家单位协同攻关，其中还包括瑞典皇家理工学院、卡罗林斯卡医学院等国际知名研究机构，堪称有组织地开展国际科研合作、实现引领性创新的典范。

来源：文汇报记者 许琦敏 2023年7月12日

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