就在世界各國都致力于解開大腦奧秘之時(shí)，中國科學(xué)家通過強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，在國際腦介觀聯(lián)接圖譜領(lǐng)域，率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層的6357個(gè)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)元投射圖譜數(shù)據(jù)庫，并獲得了一系列重要發(fā)現(xiàn)。 

　　3月31日23點(diǎn)，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》雜志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。雜志審稿人稱贊“該數(shù)據(jù)揭示了前額葉神經(jīng)元令人驚嘆的多樣性”“為神經(jīng)科學(xué)界提供了不可估量的寶貴資源”。 

　　突破三大技術(shù)瓶頸 

　　構(gòu)建全腦介觀圖譜技術(shù)平臺 

　　這篇論文得來不易，它由中國科學(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)合作完成。幾乎每個(gè)課題組都在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了長期的積累。

　　大腦皮層不同腦區(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。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。

　“這就像茂密的森林，看起來枝葉交錯(cuò)，黑壓壓一片，根本看不清一棵棵樹的樣子，也就無從著手了解森林的組成和結(jié)構(gòu)。”嚴(yán)軍解釋，科學(xué)家就要想辦法，把大腦“叢林”中的樹木一棵棵點(diǎn)亮，從而梳理清楚它們之間的架構(gòu)，進(jìn)而了解它們是如何工作的。

　　這就涉及三大技術(shù)瓶頸：神經(jīng)元的稀疏標(biāo)記、全腦連續(xù)光學(xué)成像、大規(guī)模神經(jīng)元追蹤與計(jì)算分析。而徐寧龍、龔輝、嚴(yán)軍研究組，分別攻克了這三個(gè)難題。

　　近年研究表明，以往已有較多研究的傳統(tǒng)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。然而，繪制小鼠等哺乳動(dòng)物大腦中單神經(jīng)元水平的全腦投射圖譜，需要在太字節(jié)（TB）量級的全腦光學(xué)成像大數(shù)據(jù)中，對單神經(jīng)元形態(tài)逐個(gè)進(jìn)行三維重構(gòu)。整個(gè)過程工作量大、極為復(fù)雜和耗時(shí)，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(dòng)物全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜建立了一套國際領(lǐng)先的研究方法和流程。

　　前額葉全覆蓋式解析 

　　發(fā)現(xiàn)腦區(qū)等級結(jié)構(gòu) 

　　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(huì)導(dǎo)致多種腦疾病。前額葉的神經(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。

　　已有的研究對在單個(gè)神經(jīng)元水平上的前額葉神經(jīng)元軸突投射的規(guī)律還不清楚。而這次研究獲得了161個(gè)小鼠的全腦成像數(shù)據(jù)，并從中成功重構(gòu)出了6357個(gè)前額葉單神經(jīng)元軸突形態(tài)。 

　　“我們首次發(fā)現(xiàn)，小鼠前額葉皮層中存在64類神經(jīng)元投射亞型，并繪制出了這些神經(jīng)元亞型在前額葉亞區(qū)的分布和皮層深淺層的分布。”嚴(yán)軍介紹，通過建立高空間分辨率的前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)具有模塊化的性質(zhì)和等級結(jié)構(gòu)。 

　　“這就好像我國的高鐵交通網(wǎng)絡(luò)，有主干、有一級分支，還有末梢?！眹?yán)軍說，它們“布線”精巧而嚴(yán)謹(jǐn)，有的從主干分離后，就奔赴不同目標(biāo)，有的卻會(huì)連續(xù)接力，直到很遠(yuǎn)的地方，“有的軸突甚至?xí)那邦~葉皮層投射到脊髓的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，整整長達(dá)一米！”

　　長程投射頂層調(diào)控 

　　或成人工智能新啟迪 

　　生命的鬼斧神工，總會(huì)給人類以無窮啟迪。國際著名腦科學(xué)家、中科院院士蒲慕明表示，該研究為深入解析腦功能、腦疾病提供了精準(zhǔn)的導(dǎo)航地圖，為新型類腦智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要參考。

　　目前，人工智能所模擬的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還是較為簡單抽象的環(huán)路，而此次在神經(jīng)元長程投射模式上的新發(fā)現(xiàn)，以及前額葉頂層調(diào)控模式，不僅為深入研究高級認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，還會(huì)給人工智能的發(fā)展帶來啟示。

　　“目前人工智能還沒有這種處理模式，過去從未曾想到過?！毙鞂廄堈J(rèn)為，“這或許可以為很多算法設(shè)計(jì)，打開一扇新的大門?！?/p>

　　龔輝介紹，在此項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)建立起了一系列技術(shù)平臺，將為研究全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜提供重要的技術(shù)支撐。

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