【青年报】探秘大脑森林，这群科学家绘制出“脑内导航图”
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 | 【】 【】
来源：青年报·青春上海 时间：2022/02/14 记者：刘晶晶
数以千亿计的神经元，组成了大脑，互相投射成为信息交流的“通路”。这其中的“轴突“犹如森林般藤蔓交错，复杂程度堪称世界之最。如今，来自上海的科学家绘制出了一张可以探秘这片森林的“地图”——高分辨率的脑联接图谱。
建立国际最大脑内“导航地图”
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。神经元是大脑最基本的组成单元，类型丰富多样，其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，就像高铁系统，对大脑中的信息交流起着至关重要的作用。拥有不同投射模式的神经元往往参与不同的脑功能。因此，绘制高分辨率大脑联接图谱，有助于阐明大脑工作原理，是世界各国打造全球脑科学中心的重要基础。
2022年3月31日23:00，《nature neuroscience》期刊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。
6357个前额叶单神经元在前额
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了这项研究。
他们在国际介观图谱领域率先重构了小鼠前额叶皮层6357个单神经元全脑投射图谱，建立了国际上最大的小鼠全脑介观神经联接图谱数据库。
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。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。
“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，揭示了其空间分布规律，从而揭示了前额叶皮层内部连接和外部投射的规律，并提出了前额叶皮层可能的工作模型。”严军说，就好像搞清楚了高铁交通网络从主干到分支，再到末梢的布线及投射规律。这为深入解析脑功能、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。
攻克三大技术难关
“这项研究是一项工程和技术上的奇迹，不仅揭示了前额叶神经元令人惊叹的多样性，而且通过对它们的分析，为神经环路潜在的组织原则提供了基础。在我看来，这项研究为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源。”审稿人如此评价这项研究成果。
要绘制单个神经元全脑投射谱，涉及到三大技术瓶颈：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。徐宁龙、龚辉、严军研究组，分别攻克了这三个难题。
严军介绍说，人类目前已经绘制完成的脑联接图谱模式生物只有线虫一种。“线虫仅有300个神经元，轴突总长度约为50厘米，相当于两个篮球的直径。而小鼠有1亿个神经元，轴突总长度有5000公里，差不多是从中国的最西边到最东边的跨度。”严军表示。
绘制小鼠的脑联接图谱是一个巨大工程，需要在太字节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。这一过程工作量大、极为复杂和耗时，是国际上公认的难题。“此前最大规模的哺乳动物单神经元联接图谱研究也只绘制了不到2000个小鼠神经元。”
通过数年的努力攻关，严军研究组的苟凌峰博士自主开发了太字节量级的光学成像大数据神经元追踪及分析软件，为研究模式动物的神经联接图谱建立了国际领先的研究方法和流程。此外，团队利用自主开发的聚类分析方法，定量刻画神经元轴突形态的相似性，首次发现小鼠前额叶皮层中存在64类神经元投射亚型。
中科院脑科学与智能技术卓越创新中心副主任孙衍刚透露，小鼠前额叶皮层神经联接图谱的完成，是“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的第一步。该计划将解析小鼠、斑马鱼、猕猴3种模式动物的全脑介观神经联接图谱。“有了全脑介观神经联接的结构图谱，还需要对应的神经功能图谱。”国际著名脑科学家、中科院院士蒲慕明表示，根据结构图谱，对特定的神经元进行特异性调控，还将更进一步地深入探索复杂的大脑功能。
