中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
"> 圖片均為介觀腦圖譜系列成果示意圖。
中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
網(wǎng)友：我看到一則新聞，有10項(xiàng)介觀腦圖譜研究成果在《細(xì)胞》《神經(jīng)元》等期刊發(fā)布?！敖橛^腦圖譜”，聽起來與我們的大腦有關(guān)，又充滿科技感！我想知道，介觀腦圖譜是什么？又有什么用？
編輯：您關(guān)注到的，是由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心發(fā)起的“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃的研究成果。據(jù)介紹，國內(nèi)外300多位科學(xué)家利用我國自主研發(fā)的高精度光學(xué)腦成像等技術(shù)，歷時(shí)5年繪制出多張介觀腦圖譜，覆蓋了爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關(guān)鍵物種，相當(dāng)于為大腦繪制了前所未有的“星系分布圖”。
本期我們邀請(qǐng)中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心高級(jí)研究員孫衍剛，沿著“大腦地圖”，帶我們“走入”大腦深處，探索一個(gè)值得期待的未來。
繪制腦圖譜，為大腦研究提供支撐
很多讀者好奇，什么是介觀腦圖譜？介觀腦圖譜介于宏觀和微觀之間，以單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的分辨率尺度，繪制神經(jīng)元細(xì)胞、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、腦區(qū)和腦功能區(qū)等大腦的組成部分。
人腦有近千億個(gè)神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元又與上千個(gè)神經(jīng)元相連，就像擁有無數(shù)星系的宇宙。探秘“大腦宇宙”，想要精確定位神經(jīng)元、解析它們之間如何連接與傳遞信息，就需要一張高精度的腦圖譜來“導(dǎo)航”。
以研究帕金森病為例，病因是大腦里的多巴胺神經(jīng)元細(xì)胞凋亡，目前相對(duì)前沿的治療對(duì)策是補(bǔ)充多巴胺神經(jīng)元細(xì)胞。但是這些細(xì)胞的凋亡，除了自身問題，還可能和其生長的“土壤”有關(guān)。如果只補(bǔ)充細(xì)胞，“土壤”問題沒有得到解決，新的細(xì)胞還是長不好。因此，我們不僅要研究細(xì)胞本身，還要研究它所處的周邊環(huán)境。
在介觀腦圖譜的“導(dǎo)航”下，科研人員可以更好地解析神經(jīng)元細(xì)胞及其周邊環(huán)境，破解感知、運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)、記憶和決策等重要腦功能的運(yùn)作密碼。
自19世紀(jì)末西班牙科學(xué)家拉蒙·卡哈爾創(chuàng)立神經(jīng)元學(xué)，繪制完整的人腦圖譜就成為生命科學(xué)的重要目標(biāo)。100多年來，科學(xué)家從有302個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞的線蟲開始，陸續(xù)繪制果蠅、斑馬魚、小鼠等小型物種的腦圖譜，如同攀登腦科學(xué)界的珠穆朗瑪峰，由易到難、由簡單到復(fù)雜，為大腦研究提供了重要支撐。
各物種的大腦千差萬別，復(fù)雜程度各不相同?！叭X介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃的介觀腦圖譜研究成果覆蓋了爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關(guān)鍵物種，為大腦繪制了前所未有的“星系分布圖”。
對(duì)抗“記憶竊賊”，大腦GPS展身手
此次發(fā)布的系列成果中，最大的突破在于技術(shù)體系的創(chuàng)新。實(shí)踐證明，我國自主研發(fā)的光學(xué)成像技術(shù)在靈長類動(dòng)物介觀腦圖譜的繪制工作上高效、可靠。發(fā)布的成果中，華大生命科學(xué)研究院自主研發(fā)的單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄測序技術(shù)，能同時(shí)獲取細(xì)胞的空間位置和基因表達(dá)信息，相當(dāng)于給每個(gè)神經(jīng)元都裝上了GPS、配發(fā)了“身份證”。
以被稱為“記憶竊賊”的阿爾茨海默病為例，過去，科研人員只知道阿爾茨海默病與細(xì)胞外β—淀粉樣蛋白沉積形成老年斑有關(guān)，但無法識(shí)別這種蛋白在微環(huán)境中所有不同類型細(xì)胞。此次研究中，科研人員通過單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄測序技術(shù)，對(duì)海馬體腦區(qū)進(jìn)行了精細(xì)劃分，發(fā)現(xiàn)病理性小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在海馬傘區(qū)域高度富集，就像某個(gè)街區(qū)突然聚集了大量異?；顒?dòng)的人一樣?？蒲腥藛T首次繪制了正常人和阿爾茨海默病患者海馬體腦區(qū)的單細(xì)胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄圖譜，不僅識(shí)別了特定區(qū)域受損的神經(jīng)元細(xì)胞，還篩選出細(xì)胞特異性和腦區(qū)特異性的靶標(biāo)，為阿爾茨海默病早期診斷及鑒別診斷提供了新標(biāo)志物，這有可能改變我們對(duì)抗這種“記憶竊賊”的方式。
腦出血是一種死亡率、致殘率較高的腦血管急癥，其病理損傷機(jī)制復(fù)雜，腦組織微環(huán)境時(shí)空動(dòng)態(tài)演變過程尚未明確。此次研究同樣利用單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄測序技術(shù)，首次描繪出小鼠腦出血后從超急性期到恢復(fù)期的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析腦組織損傷與修復(fù)過程，以及膠質(zhì)細(xì)胞等多種細(xì)胞在其中的關(guān)鍵作用，闡明了腦出血并非單純的局部病變，更引發(fā)全腦反應(yīng)。該圖譜的繪制為深入理解腦出血的動(dòng)態(tài)病理過程提供了重要資源，并為靶向干預(yù)和個(gè)體化治療策略奠定了基礎(chǔ)。
未來的“大腦地圖”還可以做什么
繪制介觀腦圖譜，難度很大。
首先是取樣困難，醫(yī)學(xué)影像無法“看清”神經(jīng)元細(xì)胞，只能靠解剖切片獲取時(shí)效有限的靜態(tài)信息，無法獲取腦部清晰的動(dòng)態(tài)圖以及觀察腦部動(dòng)態(tài)特性的變化規(guī)律；其次，受限于數(shù)據(jù)處理，介觀腦圖譜的分辨率通常為數(shù)百納米，僅一個(gè)獼猴大腦的數(shù)據(jù)量就可達(dá)500TB（太字節(jié)）的超大量級(jí)。如果將分辨率進(jìn)一步提高至幾十納米，那么獼猴大腦圖譜數(shù)據(jù)量將達(dá)到數(shù)十PB（千萬億字節(jié)），足以超過一個(gè)普通數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。人腦的神經(jīng)元數(shù)量是獼猴腦的十幾倍，其數(shù)據(jù)量之龐大、所需算力之巨大，更是難以估量。
目前，我國“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃的研究，已從小型動(dòng)物推進(jìn)到非人靈長類，正穩(wěn)步向繪制人腦介觀圖譜的終極目標(biāo)邁進(jìn)?！按竽X地圖”的價(jià)值不只在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域。想象一下，腦疾病可以像天氣預(yù)報(bào)一樣提前預(yù)警，人工智能可以像人腦一樣思考，癱瘓患者可以通過腦機(jī)接口重新行走——這些都可能因腦圖譜的研究而成為現(xiàn)實(shí)。
同時(shí)，我國也在發(fā)起籌建“國際靈長類介觀腦圖譜研究聯(lián)盟”，構(gòu)建面向全球開放共享的“腦圖譜數(shù)據(jù)庫”，為理解人類大腦奧秘提供關(guān)鍵基礎(chǔ)。
隨著同步輻射X射線神經(jīng)示蹤技術(shù)、AI算法等新工具的應(yīng)用，微觀尺度的“大腦地圖”或許不再遙遠(yuǎn)，可能為理解意識(shí)、開發(fā)類腦智能帶來改變，為治療腦疾病帶來革命性的突破。站在神經(jīng)科學(xué)的新起點(diǎn)，介觀腦圖譜正幫助我們進(jìn)入“大腦導(dǎo)航”的時(shí)代。從基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用，這張高精度的“大腦地圖”將持續(xù)為人類健康與科技發(fā)展提供關(guān)鍵指引。
?。ㄗ髡邽橹袊茖W(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心高級(jí)研究員，本報(bào)記者黃曉慧采訪整理）
《 人民日?qǐng)?bào) 》（ 2025年07月26日 06 版）