2022-04-01 14:33:37 來源: 科技日報 作者: 吳天一 王春

　　大腦這一充滿神秘的器官，如同深空一般充滿著未知，人類對其探索的步伐從未停下。通過科學(xué)家的不斷努力，終于通過小鼠大腦的前額葉神經(jīng)元，繪制出了一幅壯闊的神經(jīng)聯(lián)接地圖。

　　3月31日，Nature Neuroscience期刊以封面文章的形式在線發(fā)表了題為《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》的研究論文，該研究由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心嚴(yán)軍研究組、徐寧龍研究組與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、武漢光電國家研究中心龔輝團(tuán)隊合作完成。

　　前額葉皮層在決策、工作記憶、注意力等高級認(rèn)知功能中扮演重要角色，其結(jié)構(gòu)和功能的異常會導(dǎo)致多種腦疾病。前額葉神經(jīng)元投射范圍很廣，幾乎覆蓋大部分腦區(qū)，包括皮層、紋狀體、丘腦、中腦和后腦等。對鼠腦前額葉的研究，不僅可以為深入研究高級認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也為日后全腦聯(lián)接圖譜的研究打下基礎(chǔ)，乃至啟發(fā)人工智能的發(fā)展。

　　腦中奧秘 神經(jīng)元“高鐵” 

　　腦智卓越中心嚴(yán)軍團(tuán)隊通過與徐寧龍團(tuán)隊、華中科技大學(xué)龔輝團(tuán)隊、腦智卓越中心全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜平臺等多個團(tuán)隊合作，該研究在國際介觀圖譜領(lǐng)域率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層6357個單神經(jīng)元全腦投射圖譜，建立了國際上最大的小鼠單神經(jīng)元全腦投射圖譜數(shù)據(jù)庫。該開放數(shù)據(jù)庫的建立，預(yù)示著我國腦科學(xué)研究已經(jīng)不再是單個研究者、實驗室的工作，通過更廣泛的參與，學(xué)科交叉合作研究腦科學(xué)的時代正在到來。

　　該研究首次發(fā)現(xiàn)小鼠前額葉皮層中存在64類神經(jīng)元投射亞型，揭示了其空間分布規(guī)律，闡明了前額葉內(nèi)部模塊化的連接網(wǎng)絡(luò)和等級結(jié)構(gòu)、神經(jīng)元轉(zhuǎn)錄組亞型與投射亞型的對應(yīng)關(guān)系，從而揭示了前額葉皮層內(nèi)部連接和外部投射的規(guī)律，并提出了前額葉皮層可能的工作模型。

　　大腦不同腦區(qū)之間的信息交流依賴于神經(jīng)元的長程投射，擁有不同投射模式的神經(jīng)元往往參與不同的腦功能。前額葉中的神經(jīng)元，如同人腦中的高鐵路線一般，從某一點發(fā)車，經(jīng)過共同的主干線，但終點卻各不相同。而這些神經(jīng)元的路線，從某種意義上說，就是大腦的神經(jīng)“地圖”。

　　嚴(yán)軍研究團(tuán)隊利用自主開發(fā)的聚類分析方法，定量刻畫比較神經(jīng)元軸突形態(tài)的相似性，獲得了64個投射亞型，并繪制出這些神經(jīng)元亞型在前額葉亞區(qū)的分布和皮層深淺層的分布。這些不同的投射亞型就類似于高鐵的不同路線圖。

　　同時神經(jīng)元也像高鐵一樣負(fù)責(zé)全腦長程聯(lián)接，因此，研究神經(jīng)元的投射模式及其基本規(guī)律對于理解大腦的組織結(jié)構(gòu)和信息處理機(jī)制具有重要的意義。

　　創(chuàng)新技術(shù) 讓研究突破以往限制 

　　以往，研究人員利用群體神經(jīng)元示蹤技術(shù)，對小鼠皮層神經(jīng)元的全腦投射進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)皮層投射神經(jīng)元可以分為端腦內(nèi)側(cè)束神經(jīng)元、錐體束神經(jīng)元和皮層丘腦神經(jīng)元。然而，近年研究表明，在這些傳統(tǒng)的神經(jīng)元類型中還存在著更復(fù)雜、功能分工更精細(xì)的神經(jīng)元亞型。系統(tǒng)地繪制大腦單神經(jīng)元水平的投射圖譜，有助于發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)元亞型和腦網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接規(guī)則，從而更系統(tǒng)全面地揭示大腦的工作原理。

　　鼠腦有著一億個以上的神經(jīng)元，將它們的軸突排列起來，可以從中國的最西邊連接至最東邊。而繪制小鼠等哺乳動物大腦中單神經(jīng)元水平的全腦投射圖譜，需要對單神經(jīng)元的軸突形態(tài)逐個進(jìn)行三維重構(gòu)。

　　整個過程，是國際上公認(rèn)的難題。為解決這一問題，嚴(yán)軍研究組的茍凌峰博士通過數(shù)年的努力攻關(guān)，自主開發(fā)了以Fast Neurite Tracer (FNT)為代表的TB級光學(xué)成像大數(shù)據(jù)神經(jīng)元追蹤及分析軟件，為研究模式動物各腦區(qū)的神經(jīng)聯(lián)接圖譜建立了一套國際領(lǐng)先的研究方法和流程。該研究成功構(gòu)建了小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜，發(fā)現(xiàn)了前額葉存在64個神經(jīng)元投射亞型和前額葉內(nèi)部連接存在模塊和等級結(jié)構(gòu)，為理解前額葉的工作機(jī)制提供了線索。其中，單個轉(zhuǎn)錄組亞型對應(yīng)多個投射亞型這一規(guī)律，進(jìn)一步突顯出了單神經(jīng)元投射圖譜對于神經(jīng)元分類的重要性。

　　6357個前額葉單神經(jīng)元在前額葉亞區(qū)的分布和全腦軸突形態(tài)。采訪對象供圖 

　　FNT軟件系統(tǒng)的研發(fā)和調(diào)試過程得到了上海濟(jì)光職業(yè)技術(shù)學(xué)院咸菁、喬彥青團(tuán)隊和眾多學(xué)生志愿者的幫助。華中科技大學(xué)龔輝團(tuán)隊承擔(dān)了全腦成像數(shù)據(jù)的采集。腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士給予了寶貴建議。該研究獲得上海市、科技部、中科院、基金委的資助。在各方努力之下，重構(gòu)了小鼠前額葉皮層中超過6000個單神經(jīng)元分辨率的軸突數(shù)據(jù)。

　　該數(shù)據(jù)不僅揭示了前額葉神經(jīng)元令人驚嘆的多樣性，而且通過對它們的分析，為神經(jīng)環(huán)路潛在的組織原則提供了基礎(chǔ)，也為神經(jīng)科學(xué)界提供了不可估量的寶貴資源。

http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/202204/25dc07d40d654f4d9342f0510727b5ca.shtml