【文汇报】大脑“布线”类似高铁网络？中国科学家解析最大规模小鼠单神经元全脑投射图谱
文章来源：脑科学与智能技术卓越创新中心 | 发布时间：2022-04-01 | 【】 【】
就在世界各国都致力于解开大脑奥秘之时，中国科学家通过强强联手，在国际脑介观联接图谱领域，率先重构了小鼠前额叶皮层的6357个单神经元全脑投射图谱，建立了国际上最大的小鼠单神经元投射图谱数据库，并获得了一系列重要发现。
3月31日23点，国际著名学术期刊《自然-神经科学》杂志以封面文章的形式在线发表了题为《小鼠前额叶单神经元投射图谱》的研究论文。杂志审稿人称赞“该数据揭示了前额叶神经元令人惊叹的多样性”“为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源”。
突破三大技术瓶颈
构建全脑介观图谱技术平台
这篇论文得来不易，它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）、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完成。几乎每个课题组都在这个领域进行了长期的积累。
大脑皮层不同脑区之间的信息交流依赖于神经元的长程投射，拥有不同投射模式的神经元往往参与不同的脑功能。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。
“这就像茂密的森林，看起来枝叶交错，黑压压一片，根本看不清一棵棵树的样子，也就无从着手了解森林的组成和结构。”严军解释，科学家就要想办法，把大脑“丛林”中的树木一棵棵点亮，从而梳理清楚它们之间的架构，进而了解它们是如何工作的。
这就涉及三大技术瓶颈：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。而徐宁龙、龚辉、严军研究组，分别攻克了这三个难题。
近年研究表明，以往已有较多研究的传统神经元类型中，还存在着更复杂、功能分工更精细的神经元亚型。然而，绘制小鼠等哺乳动物大脑中单神经元水平的全脑投射图谱，需要在太字节（tb）量级的全脑光学成像大数据中，对单神经元形态逐个进行三维重构。整个过程工作量大、极为复杂和耗时，是国际上公认的难题。
为解决这一问题，严军研究组的苟凌峰博士通过数年的努力攻关，自主开发了以fast neurite tracer (fnt)为代表的tb级光学成像大数据神经元追踪及分析软件，为研究模式动物全脑神经联接图谱建立了一套国际领先的研究方法和流程。
前额叶全覆盖式解析
发现脑区等级结构
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。前额叶的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。
已有的研究对在单个神经元水平上的前额叶神经元轴突投射的规律还不清楚。而这次研究获得了161个小鼠的全脑成像数据，并从中成功重构出了6357个前额叶单神经元轴突形态。
“我们首次发现，小鼠前额叶皮层中存在64类神经元投射亚型，并绘制出了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。”严军介绍，通过建立高空间分辨率的前额叶内部连接网络，研究团队发现，前额叶内部连接网络具有模块化的性质和等级结构。
“这就好像我国的高铁交通网络，有主干、有一级分支，还有末梢。”严军说，它们“布线”精巧而严谨，有的从主干分离后，就奔赴不同目标，有的却会连续接力，直到很远的地方，“有的轴突甚至会从前额叶皮层投射到脊髓的运动神经元，整整长达一米！”
长程投射顶层调控
或成人工智能新启迪
生命的鬼斧神工，总会给人类以无穷启迪。国际著名脑科学家、中科院院士蒲慕明表示，该研究为深入解析脑功能、脑疾病提供了精准的导航地图，为新型类脑智能系统的设计提供了重要参考。
目前，人工智能所模拟的神经网络结构，还是较为简单抽象的环路，而此次在神经元长程投射模式上的新发现，以及前额叶顶层调控模式，不仅为深入研究高级认知功能的神经机制奠定了结构基础，还会给人工智能的发展带来启示。
“目前人工智能还没有这种处理模式，过去从未曾想到过。”徐宁龙认为，“这或许可以为很多算法设计，打开一扇新的大门。”
龚辉介绍，在此项研究中，团队建立起了一系列技术平台，将为研究全脑介观神经联接图谱提供重要的技术支撑。
