大腦作為結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的器官，是生命活動(dòng)的司令部，識(shí)別大腦的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)腦科學(xué)研究有著重要作用。長(zhǎng)久以來(lái)，為了能“看清”大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，科學(xué)家們都在嘗試?yán)L出一幅包含連接性,功能和微觀結(jié)構(gòu)的大腦高清“地圖”并做出諸多努力，然而其技術(shù)難度極大。

7月26日，中國(guó)科學(xué)院深圳理工大學(xué)(籌，簡(jiǎn)稱中科院深理工)/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(簡(jiǎn)稱“深圳先進(jìn)院”)腦認(rèn)知與腦疾病研究所畢國(guó)強(qiáng)教授、劉北明教授、徐放副研究員率領(lǐng)中科院深理工/深圳先進(jìn)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院團(tuán)隊(duì)的最新研究成果發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》。研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)五年，通過(guò)自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術(shù)和靈長(zhǎng)類腦圖譜繪制SMART流程，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的微米級(jí)分辨率三維解析，這是目前世界上最高精度的靈長(zhǎng)類動(dòng)物的腦圖譜。

中科院深理工/深圳先進(jìn)院副研究員徐放，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生沈燕、丁露鋒、楊朝宇為論文第一作者。中科院昆明動(dòng)物所胡新天團(tuán)隊(duì)、中科院深理工/深圳先進(jìn)院徐富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、美國(guó)麻省理工學(xué)院、南加州大學(xué)以及加州大學(xué)洛杉磯分校等單位科學(xué)家共同參與該項(xiàng)工作。

在獼猴層面實(shí)現(xiàn)大腦三維高清“地圖”

大腦是一個(gè)三維立體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就像是地球表面錯(cuò)綜復(fù)雜的道路與河流，繪制大腦圖譜就是要把這些河流與道路測(cè)繪出來(lái)，精細(xì)分解和描繪大腦復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

為了理解人類大腦，科學(xué)家需要將果蠅、小鼠等作為基準(zhǔn)和模型，其中獼猴是研究最為深入的非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物，為理解人類大腦健康和疾病提供了最佳模型系統(tǒng)。由于技術(shù)限制，目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠層面，國(guó)際通用的成像技術(shù)對(duì)小鼠進(jìn)行微米分辨率全腦成像通常需要數(shù)天的時(shí)間。獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時(shí)間內(nèi)完成獼猴全腦成像是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。

此前，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年的攻關(guān)，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術(shù)，該項(xiàng)成果于2019年發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。這一技術(shù)通過(guò)斜截面掃描照明與同步成像，實(shí)現(xiàn)了在樣品連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行無(wú)模糊的圖像采集，消除了傳統(tǒng)大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來(lái)的時(shí)間損失，數(shù)據(jù)采集速度比當(dāng)前通用于小鼠腦圖譜繪制的幾種三維光學(xué)成像技術(shù)提升了數(shù)十倍，使得猴腦圖譜解析成為可能。

除了成像通量的挑戰(zhàn)，對(duì)獼猴腦進(jìn)行高分辨全腦成像還面臨溝回結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組織透明度差等多方面的困難。在通過(guò)了嚴(yán)格審核的倫理規(guī)范下，科研人員對(duì)獼猴大腦展開(kāi)研究，采取先對(duì)離體大腦進(jìn)行包埋切片的方式，使得溶液滲透效率僅依賴于切片厚度，而不受其大小的影響，并且發(fā)展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對(duì)腦片的灰質(zhì)與白質(zhì)不同部分、不同深度達(dá)到均勻透明。然后通過(guò)改進(jìn)的VISoR2系統(tǒng)，最終對(duì)獼猴全腦樣品在100小時(shí)內(nèi)完成1×1×2.5微米三維分辨率的圖像采集,項(xiàng)目中兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過(guò)了1 PB，約相當(dāng)于113塊10T硬盤(pán)的數(shù)量存儲(chǔ)大小。

“如此海量的數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著非常龐大的信息量，但也為數(shù)據(jù)分析帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。”徐放表示。面對(duì)龐大的數(shù)據(jù)體積，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了自動(dòng)的三維圖像拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建。“目前這項(xiàng)工作只是一個(gè)非常初步的開(kāi)始，未來(lái)我們還需要更多的數(shù)據(jù)科學(xué)家的合作參與，進(jìn)行更深入的圖像數(shù)據(jù)挖掘和分析，共同理解靈長(zhǎng)類動(dòng)物的大腦精細(xì)結(jié)構(gòu)與智能的關(guān)系。”

實(shí)現(xiàn)神經(jīng)元的長(zhǎng)距離追蹤，發(fā)現(xiàn)新路徑

大腦有著上億個(gè)神經(jīng)元，其長(zhǎng)長(zhǎng)的神經(jīng)元軸突就像是電線，延伸到大腦的各個(gè)區(qū)域，發(fā)揮著傳輸信號(hào)的功能。只有對(duì)全腦進(jìn)行微米級(jí)分辨率的成像與重建，才能對(duì)單個(gè)神經(jīng)元軸突形態(tài)進(jìn)行完整描繪。

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了漸進(jìn)式的半自動(dòng)追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)神經(jīng)元軸突的長(zhǎng)距離追蹤，并基于前期工作基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質(zhì)溝回處轉(zhuǎn)折延伸的多種路徑形態(tài)。

“他們的初步觀察表明，大腦皮層下方白質(zhì)中的許多軸突具有出乎意料的復(fù)雜軌跡，包括與皮層折疊相關(guān)聯(lián)的急轉(zhuǎn)彎。這一發(fā)現(xiàn)可能對(duì)理解大腦形態(tài)發(fā)生和“布線長(zhǎng)度最小化”原則具有深遠(yuǎn)的意義。美國(guó)科學(xué)院院士、神經(jīng)生物學(xué)與解剖學(xué)家、華盛頓大學(xué)David van Essen(大衛(wèi)·馮·埃森)教授表示，研究團(tuán)隊(duì)克服了艱難的技術(shù)障礙，實(shí)現(xiàn)了完整的數(shù)據(jù)采集和分析流程，用于詳細(xì)繪制和可視化單個(gè)獼猴神經(jīng)元的長(zhǎng)距離軸突軌跡和神經(jīng)聯(lián)接。該研究是一項(xiàng)技術(shù)杰作，標(biāo)志著我們?cè)讷J猴整腦中準(zhǔn)確有效地繪制長(zhǎng)距離連接的能力取得了驚人的進(jìn)步。

中國(guó)科學(xué)院院士、浙江大學(xué)腦科學(xué)與腦醫(yī)學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)段樹(shù)民教授評(píng)論道，近些年來(lái)對(duì)小動(dòng)物介觀全腦圖譜繪制技術(shù)取得了很大進(jìn)展，但對(duì)靈長(zhǎng)類等大動(dòng)物全腦的介觀成像，在很多技術(shù)層面(如成像速度，大范圍高精度成像，大數(shù)據(jù)處理等)上仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。畢國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的包括VISoR和SMART等集成技術(shù)為解決這一難題提供了可行的手段。

“VISoR技術(shù)作為當(dāng)前世界最快的大尺度三維組織成像方法，可以對(duì)各種模型動(dòng)物大腦進(jìn)行高通量、高精度的定量解析，并可擴(kuò)展至其它組織器官，在大規(guī)模藥物篩選、快速病理診斷，以及更大型生物樣品成像等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，將有望幫助理解人類大腦和身體器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其在疾病中的變化規(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)，促進(jìn)人類健康。”論文共同通訊作者畢國(guó)強(qiáng)表示。

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)將深入研究靈長(zhǎng)類大腦結(jié)構(gòu)的組成，以及其與大腦智能的關(guān)系和疾病中的變化，并與醫(yī)院、人工智能相關(guān)公司開(kāi)展合作，繼續(xù)開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，用于動(dòng)物及人類器官病理組織的高分辨全景三維成像。(記者 劉傳書(shū))

關(guān)鍵詞： 獼猴大腦 三維高清成像 腦科學(xué)研究 獼猴腦