研究化学不能少了“化学元素周期表”，对于脑科学研究来说，细胞图谱正是这样的“元素表”。大脑由哪些细胞组成、这些细胞的空间分布有什么规律？绘制一张“脑图谱”，对于脑科学的重要性，相当于生命科学的“登月计划”人类基因组计划完成的DNA碱基序列。2023年7月12日，一项具有里程碑意义的猕猴脑细胞图谱重大研究发现被公布。

　　 绘制脑图谱对了解人类大脑至关重要  

　　7月12日23点，Cell期刊在线发表了题为“单细胞空间转录组揭示猕猴大脑皮层的细胞类型组成及分布规律”的研究论文，该研究成果由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）与华大生命科学研究院、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI Lab、深圳国家基因库、瑞典皇家理工学院、卡罗林斯卡医学院等单位106人的科研团队合作完成。研究描画出了猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱，提供了目前最完整的灵长类大脑数据。

　　什么是脑图谱？“人脑细胞类型多样，意识和行为都是不同脑细胞连接起的神经网络实现的。大脑有哪些类型的细胞，这是细胞图谱的研究内容；神经细胞如何连接起来所形成的复杂网络，这是联接图谱的研究内容；神经网络如何实现功能，这是功能图谱。”脑智卓越中心副主任孙衍刚介绍说，高精度全脑介观神经联接图谱绘制，正是全面阐明神经系统功能、揭示大脑奥秘的必经之路，图谱的建立可以帮助人类认识大脑工作的原理，也能更好地认识和克服各种疾病。

　　理解人类大脑的结构和工作原理是自然科学最具挑战性的前沿问题之一。脑智卓越中心一直聚焦于斑马鱼、小鼠和猕猴三种动物的大脑研究。而与其他物种相比，灵长类动物具有更高的认知和社会能力，也具有更大的皮层和更多细胞类型。“从细胞数量上看，斑马鱼十万级，小鼠千万级，猕猴就达到了十亿级。”孙衍刚表示。

　　猕猴是与人类最接近的模式动物，其大脑包含超过60亿个神经元，根据它们的分子及其空间分布规律，可以将其分为数百种细胞类型，分布在数百个不同的脑区中。解析它们，绘制出一张全脑神经联接图谱，对了解人类大脑的结构和功能至关重要。

　　总体实验设计

　　 研究提供了目前最完整的灵长类大脑数据  

　　此次发表的成果正是对猕猴脑图谱绘制的一次突破性进展。

　　2021年2月，脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士带领团队两次访问华大，确定了以华大时空组学技术Stereo-seq、神经所猕猴脑图谱研究为合作支撑，尽快在重点脑区取得初步验证结果，并在全脑和重点脑区的图谱展开全面合作，引领学科和理论发展。

　　结合新开发的大视野空间转录组“时空组学”方法，自主开发了一种制备猕猴大脑厘米尺度薄切片的方法，通过人工智能辅助的方法进行细胞分割获得了过亿的单细胞。又通过自主研发的高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq获取了150万个单细胞转录组数据，并分出了264种不同的细胞类型，绘制出了猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，为系统分析细胞类型在皮层内各皮层特异和脑区特异的分布，以及基因表达特征提供了目前最完整的灵长类大脑数据。“其意义就如同‘化学元素周期表’的诞生。”

　　同时自主研发的基于人工智能的分析流程，获得了皮层细胞的完整空间分型规律，“画”出了首个猕猴全脑皮层的三维单细胞空间分布图谱。“切片在皮层获得4200万个细胞的细胞分类信息，打破了世界纪录。”李澄宇表示。

　　而通过分析团队上百种不同分析方法的尝试和迭代，去摸索细胞分布的规律，两年时间每周五雷打不动的例会讨论，最终得出了几个科学发现：脑皮层分布的脑区特异性，细胞分布与皮层结构的层级规律相关。此外，攻关团队通过与公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行跨物种比较，发现灵长类特有的分布于第四层的兴奋性神经元细胞，并且这些细胞高度表达与人类疾病相关的基因。

　　“除了技术，我们还产生了自主资源，创建和运营猕猴全脑皮层细胞数据库，并实现公开共享。”李澄宇表示，“大数据”也是引领国际合作的一大“金刚钻”。

　　部分科研人员庆祝实验顺利

　　 17家单位106人参与攻关多数是青年  

　　17家单位协同攻关、106人参加，其中绝大多数是年轻的科学工作者，在蒲慕明院士和海南大学校长骆清铭院士看来，这次研究实现了一次有组织地开展国内国际科研合作、实现引领性创新的成功范例。

　　脑智卓越中心全脑介观神经联接图谱研究（单细胞分型）平台主任李超博士正是其中一名年轻研究人员。看到文章作者一栏里密密麻麻的名字，他感叹：“很少有课题像这个项目一样需要这么多的人共同协作一起完成，确实是众志成城，共闯难关。”

　　研究中，采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米切片的空间转录组数据，对于研究人员来说，切片关就不是好过的。“因为猕猴脑子较大，必须保证切下来的片子完整不卷曲，贴到芯片上没有褶皱和气泡，保证脑片与芯片的完全贴合。”李超回忆道，实验时，小小的切片室里要同时有近10个人立足，大家都要小心专注自己手上的事务，避免互相干扰。

　　为了尽可能短的时间内用一只猕猴全脑样品完成所有实验，以保证样品的质量不会因为时间太长受到影响，实验方案确定得非常精确。“光芯片操作阶段就需要12个人同时实验，实验开始后，所有人需要严格按照时间表依次进行自己的实验步骤，任何一人的实验拖延了时间，都会影响到其他人的操作。”

　　协同变得非常重要——一轮实验从切片开始到纯化工作全部结束要一天半的时间，需要30多个人接力完成，每一个人都不能失误，才有可能获得满意的结果。李超还记得，当最后一天的下午，120多张芯片顺利完成，带着实验胜利的喜悦，大家分吃了一个大蛋糕，感受到了世间最难忘的甜美。

　　这还只是第一步。据悉，未来，这支团队还将继续在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续攻关，推动中国在相关领域持续产生原创性、引领性成果。

来源 青年报·青春上海记者 刘晶晶 2023年7月13日

http://www.why.com.cn/wx/article/2023/07/13/16892216531162359271.html