腦是人體最復(fù)雜的器官，要深入了解大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，就需要為大腦繪制一幅三維高清地圖。獼猴是研究人類智力和人腦疾病機(jī)理所必需的非人靈長(zhǎng)類模式動(dòng)物，但解析獼猴的大腦圖譜一直是腦科學(xué)領(lǐng)域的“深水區(qū)”。

在7月26日發(fā)表于《自然—生物技術(shù)》的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱中科大)、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱深圳先進(jìn)院)教授畢國(guó)強(qiáng)、劉北明團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外學(xué)者合作，通過(guò)自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱VISoR技術(shù))和靈長(zhǎng)類腦圖譜繪制流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)獼猴大腦的微米級(jí)分辨率三維解析。據(jù)悉，這是目前世界上最高精度的靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦圖譜。

中科院院士、浙江大學(xué)教授段樹(shù)民表示，靈長(zhǎng)類等大動(dòng)物全腦的介觀成像是腦圖譜繪制所面臨的巨大挑戰(zhàn)，VISoR技術(shù)為解決這一難題提供了可行的手段。

跳出鼠腦研究“舒適區(qū)”

腦聯(lián)接圖譜繪制是神經(jīng)科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。該論文的第一作者、深圳先進(jìn)院副研究員徐放告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，解析腦圖譜目前分為宏觀、介觀和微觀三個(gè)尺度。

宏觀尺度上，主要使用磁共振成像方法，雖然可以對(duì)活體大腦進(jìn)行功能圖譜的測(cè)繪，但分辨率較低，不能區(qū)分細(xì)胞水平的細(xì)節(jié)。而微觀尺度上，主要通過(guò)電子顯微鏡成像，雖然分辨率高達(dá)納米級(jí)別，但成像速度很慢，且對(duì)樣品要求很高，目前只能實(shí)現(xiàn)線蟲(chóng)、果蠅等很小動(dòng)物的腦結(jié)構(gòu)或脊椎動(dòng)物大腦皮層的毫米級(jí)大小區(qū)域的成像。

介觀尺度采用的是介于兩者之間的光學(xué)成像方法，目前幾種前沿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于小鼠等嚙齒類動(dòng)物的全腦成像，通常需要幾天至十幾天才能完成一只小鼠全腦的微米分辨率三維成像。而獼猴大腦的體積是鼠腦的200倍以上，這意味著，用同樣的方法對(duì)獼猴大腦進(jìn)行同精度成像需要幾年時(shí)間。

因此，突破成像速度瓶頸，是從鼠腦邁向獼猴大腦研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

“腦科學(xué)最想了解的是人類大腦，但如果我們一直研究小鼠，是否最后只能達(dá)到了解和模擬小鼠智力的水平呢?” 在中科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心做博士后研究時(shí)，徐放就時(shí)常想，如何才能跳出鼠腦研究的“舒適區(qū)”。

2015年，畢國(guó)強(qiáng)開(kāi)始帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)構(gòu)思新的介觀圖譜成像技術(shù)，而在當(dāng)時(shí)，成像分辨率和速度似乎是一對(duì)不可調(diào)和的矛盾。

起初，研究團(tuán)隊(duì)將較低分辨的大尺度光片照明成像作為可能的一個(gè)平衡點(diǎn)。但中科大高級(jí)工程師祝清源意識(shí)到，常規(guī)大尺度三維成像方法在拍不同視野的二維照片時(shí)，移動(dòng)樣品加減速的時(shí)間比停下來(lái)相機(jī)曝光拍攝的時(shí)間要多得多。也就是說(shuō)，大部分時(shí)間都浪費(fèi)在運(yùn)動(dòng)中了。

因此，他提出利用光片照明成像的模式，在樣品勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中連續(xù)拍攝，從而大大提高時(shí)間利用率，獲得最高的三維成像速度。基于這一想法，祝清源和團(tuán)隊(duì)研究生、現(xiàn)中科大及合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院副研究員王浩搭建了高速三維成像原型系統(tǒng)。

但接踵而來(lái)的問(wèn)題是運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的成像模糊。在嘗試了很多辦法后，2016年的寒假，畢國(guó)強(qiáng)從實(shí)驗(yàn)室步行回家時(shí)突然想到，“如果利用掃描光束照明，把光束掃描與相機(jī)拍攝讀出進(jìn)行嚴(yán)格同步，使樣品中的每一點(diǎn)只被照明一次，那么就能幾乎完全避免樣品運(yùn)動(dòng)造成的成像模糊”。

在團(tuán)隊(duì)的努力下，這一想法很快得到了驗(yàn)證，并最終形成了“同步飛掃”VISoR技術(shù)。經(jīng)過(guò)數(shù)年的優(yōu)化迭代，該技術(shù)能達(dá)到解析細(xì)胞形態(tài)的微米和亞微米分辨率，并在0.5~2小時(shí)內(nèi)完成小鼠全腦成像，100小時(shí)內(nèi)完成對(duì)獼猴全腦樣品1×1×2.5微米三維分辨率的圖像采集，兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過(guò)1PB。

從切片到全腦

然而，獼猴腦除了比鼠腦體積更大以外，還有更豐富和致密的白質(zhì)，而樣品透明是清晰成像的前提。“好比只有在清澈的水池里，才能看清水底的石頭。”徐放告訴記者。

為克服獼猴大腦溝回結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組織透明度差等困難，在進(jìn)行了多次嘗試后，研究團(tuán)隊(duì)最終選取先對(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)展了高折射率的組織透明化方法，讓腦片的灰質(zhì)與白質(zhì)不同部分、不同深度達(dá)到均勻透明。

同時(shí)，針對(duì)近PB級(jí)的猴腦成像大數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了高效自動(dòng)三維圖像拼接技術(shù)和漸進(jìn)式半自動(dòng)追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建和神經(jīng)元軸突纖維的長(zhǎng)距離追蹤。

“只有重構(gòu)之后才能追蹤每一根神經(jīng)纖維在全腦內(nèi)的完整形態(tài)，知道它跟哪些腦區(qū)或神經(jīng)元能夠形成聯(lián)系、傳遞信息。”徐放說(shuō)。

研究發(fā)現(xiàn)，獼猴大腦皮層下方白質(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。美國(guó)科學(xué)院院士、華盛頓大學(xué)教授David Van Essen認(rèn)為，這一令人興奮的發(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)意義。

“這只是初步的發(fā)現(xiàn)，我們相信后續(xù)還會(huì)發(fā)現(xiàn)靈長(zhǎng)類大腦神經(jīng)環(huán)路更精細(xì)和更深刻的組織規(guī)律，這對(duì)于理解大腦以及未來(lái)借鑒生物大腦結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的類腦智能有深遠(yuǎn)意義。”徐放說(shuō)。

跨學(xué)科合作

在徐放看來(lái)，此次成功解析獼猴大腦三維結(jié)構(gòu)，得益于一支全面的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

“腦圖譜研究需要跨學(xué)科、高度多樣化的團(tuán)隊(duì)共同完成，樣品準(zhǔn)備、樣品處理、光學(xué)成像、圖像處理、數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，都需要有相應(yīng)專業(yè)背景和特點(diǎn)的人才。”徐放說(shuō)，“中科大和合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心給了我們自由開(kāi)放、多元包容的科研環(huán)境，深圳先進(jìn)院以及深圳市為我們提供了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新氛圍和落地應(yīng)用的機(jī)會(huì)。”

他認(rèn)為，腦圖譜解析既是腦科學(xué)基礎(chǔ)研究的重要戰(zhàn)略制高點(diǎn)，也將為新的腦疾病診療方法乃至未來(lái)類腦智能技術(shù)提供重要的線索和研發(fā)途徑。

“腦圖譜解析高度依賴于技術(shù)創(chuàng)新，需要不斷進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和迭代應(yīng)用，尤其是中小型團(tuán)隊(duì)的技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用更需要政府和社會(huì)的支持，這些投入也會(huì)在相當(dāng)程度上推動(dòng)整個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。”畢國(guó)強(qiáng)說(shuō)。

在他看來(lái)，VISoR技術(shù)和靈長(zhǎng)類腦圖譜繪制流程具有很強(qiáng)的兼容性和普適性。“該技術(shù)產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)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。”

段樹(shù)民表示：“期望這一技術(shù)在應(yīng)用層面上進(jìn)一步完善，能夠規(guī)?；茝V應(yīng)用，為靈長(zhǎng)類動(dòng)物乃至人類大腦圖譜繪制和解析作出重要貢獻(xiàn)。”

標(biāo)簽： 大腦 三維 地圖 研究