科技日報記者 金鳳

腦，是我們每個人的“頂級配置”。我們之所以有喜怒哀樂，能夠?qū)W習、記憶、運動，擁有良好的睡眠，都離不開大腦的調(diào)控。神經(jīng)元是大腦行使功能的基本單位，它的3D結(jié)構(gòu)特征可以揭示腦內(nèi)神經(jīng)信號的流動，反映大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡連接，也是鑒定神經(jīng)元類別的重要參數(shù)。

不過，想清晰地看清并重建大量神經(jīng)元全腦形態(tài)，還存在諸多瓶頸。10月13日，科技日報記者從東南大學獲悉，該校聯(lián)合美國艾倫腦科學研究所、華中科技大學、溫州醫(yī)科大學、騰訊等機構(gòu)，生成了目前世界上數(shù)目最大的關于小鼠的1741個單細胞神經(jīng)元的數(shù)據(jù)集，并鑒定了來自皮層、屏狀核、丘腦和紋狀體等腦區(qū)的11種主要神經(jīng)元投射類型，成果近日發(fā)表于國際期刊《自然》。

研究人員借助Vaa3D-TearaVR平臺重建復雜的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。科技日報記者 金鳳 攝

“雖然小鼠的大腦和人類大腦存在差異，但是在結(jié)構(gòu)和細胞類型方面大體上是相似的，因此鼠腦神經(jīng)元的研究為解析人腦的神經(jīng)元類別以及探索神經(jīng)系統(tǒng)疾病如精神分裂癥、自閉癥、抑郁癥等的機制提供了重要信息。”論文共同第一作者、東南大學腦科學與智能技術研究院副研究員劉力娟告訴科技日報記者。

諸多瓶頸曾制約全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡重建

走進東南大學腦科學與智能技術研究院（以下簡稱東大腦智院），工作人員正在電腦前標注鼠腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)信息。屏幕上的大腦輪廓中，盡管做了神經(jīng)元的選擇性標記，神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)仍然密密麻麻，像一堆線團。

人腦約有860億個神經(jīng)元，神經(jīng)元間的有序連接網(wǎng)絡決定了大腦能實現(xiàn)哪些功能。了解神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，使連接路徑可視化，將有助于闡明神經(jīng)元的功能。

小鼠是研究腦科學的重要模式動物，它們有學習、記憶和社交能力，其大腦擁有上億個神經(jīng)元，觀察小鼠的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，對于了解人腦結(jié)構(gòu)和功能有重要參考價值。

不過，長期以來，重建高通量的全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡一直存在瓶頸。

“小鼠的腦只有約成人指甲蓋大小，而且有蛋白質(zhì)等結(jié)構(gòu)，不透明，所以普通的光學顯微成像技術很難獲得全腦圖像，這也是全腦研究的難點。”劉力娟說，此次研究中，科研團隊構(gòu)建了選擇性標記的小鼠品系樣本，中國科學院院士駱清銘教授以及華中科技大學龔輝教授團隊完成了基于熒光顯微光學切片斷層成像系統(tǒng)的高分辨率小鼠全腦圖像采集。

但高分辨率也令小鼠全腦圖像體量巨大，達到15—20TB，這對圖像平臺的算法和數(shù)據(jù)處理能力形成很大挑戰(zhàn)。

“有的神經(jīng)元信號很弱，看清楚很難，而且神經(jīng)元分枝復雜，一旦追蹤錯了，就無法準確還原神經(jīng)元形態(tài)，也就是就追錯了神經(jīng)元發(fā)送信號的路徑。”劉力娟所言非虛，全腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)龐大，某些小鼠的腦皮層細胞可以跨越兩個腦半球，且分枝繁多，總長度可達40厘米左右，因此準確快速地重建神經(jīng)元十分困難。

在1741個神經(jīng)元的數(shù)據(jù)集中“捕捉”到11種投射類型

為破解這些難題，東大腦智院與上海大學王宜敏博士團隊開發(fā)了三維可視化Vaa3D-TeraVR平臺。在VR模塊中，研究人員可頭戴VR設備，“沉浸式觀察”神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，從而大大降低重建繁雜難辨的神經(jīng)元的難度。

同時，東大腦智院建立了自動化與手動結(jié)合的神經(jīng)元重建流程，使神經(jīng)元的形態(tài)“捕捉”變得更加高效、精準，并與安徽大學屈磊教授團隊合作研發(fā)圖像配準算法mBrainAligner。基于這些平臺和算法，東大腦智院建立起完整的大數(shù)據(jù)管理和計算分析平臺。

“這些數(shù)據(jù)來自腦皮層、屏狀核、紋狀體和丘腦等腦區(qū)神經(jīng)元，是目前世界上公布的最大單細胞腦神經(jīng)元數(shù)據(jù)集。”劉力娟說。

有了這些神經(jīng)元的大數(shù)據(jù)，科研團隊很快“捕捉”到其中11種主要的神經(jīng)元投射類型。

“其中，以往被認為可能是意識開關的屏狀核與側(cè)皮層屬于同一轉(zhuǎn)錄組類別Car3，但是實際上它們的投射目的地卻截然不同。屏狀核的神經(jīng)元平均投射區(qū)域可達20個，單個神經(jīng)元間的投射目的地差異巨大。”

更讓團隊欣喜的是，擁有同樣的轉(zhuǎn)錄組信息的神經(jīng)元，卻呈現(xiàn)了多樣的神經(jīng)元形態(tài)，這說明神經(jīng)信號被傳送到不同的腦區(qū)域。

“神經(jīng)元形態(tài)的多樣性，對于多水平地了解神經(jīng)元功能、揭示神經(jīng)元形成的復雜神經(jīng)環(huán)路提供了直觀的切入點。”劉力娟解釋。

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