近日,中国科学院等解析了猕猴大脑的微米级分辨率三维结构,这是目前世界上最高精度的灵长类动物的脑图谱。


7月26日,中国科学院深圳理工大学(筹,简称中科院深理工)/中国科学院深圳先进技术研究院(简称“深圳先进院”)脑认知与脑疾病研究所毕国强教授、刘北明教授、徐放副研究员率领中科院深理工/深圳先进院、中国科学技术大学和合肥综合性国家科学中心人工智能研究院团队的最新研究成果发表于《自然—生物技术》。


猕猴大脑的微米级分辨率三维结构图谱来了,有什么意义?


研究团队历时五年,通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制SMART流程,实现了猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。


在猕猴层面实现大脑三维高清“地图”


大脑是一个三维立体结构,其内部的神经网络结构就像是地球表面错综复杂的道路与河流,绘制大脑图谱就是要把这些河流与道路测绘出来,精细分解和描绘大脑复杂的三维结构。


为了理解人类大脑,科学家需要将果蝇、小鼠等作为基准和模型,其中猕猴是研究最为深入的非人类灵长类动物,为理解人类大脑健康和疾病提供了最佳模型系统。由于技术限制,目前的脑图谱研究主要集中于小鼠层面,国际通用的成像技术对小鼠进行微米分辨率全脑成像通常需要数天的时间。猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上,要在较短时间内完成猕猴全脑成像是一项极大的挑战。


此前,研究团队经过数年的攻关,研发了VISoR高速三维荧光成像技术,该项成果于2019年发表于《国家科学评论》。这一技术通过斜截面扫描照明与同步成像,实现了在样品连续运动时进行无模糊的图像采集,消除了传统大样品成像需要在不同的小视野切换、停顿所带来的时间损失,数据采集速度比当前通用于小鼠脑图谱绘制的几种三维光学成像技术提升了数十倍,使得猴脑图谱解析成为可能。


猕猴大脑的微米级分辨率三维结构图谱来了,有什么意义?


猕猴大脑的三维高分辨重建图(a)、截面图(b)、内部神经纤维展示(c),以及部分神经纤维的全脑示踪和可视化(d)


除了成像通量的挑战,对猕猴脑进行高分辨全脑成像还面临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的困难。在通过了严格审核的伦理规范下,科研人员对猕猴大脑展开研究,采取先对离体大脑进行包埋切片的方式,使得溶液渗透效率仅依赖于切片厚度,而不受其大小的影响,并且发展了高折射率的PuClear组织透明化方法,对脑片的灰质与白质不同部分、不同深度达到均匀透明。然后通过改进的VISoR2系统,最终对猕猴全脑样品在100小时内完成1×1×2.5微米三维分辨率的图像采集,项目中两只猕猴大脑图像原始数据量超过了1 PB,约相当于113块10T硬盘的数量存储大小。


猕猴大脑的微米级分辨率三维结构图谱来了,有什么意义?


VISoR2 工程简图


猕猴大脑的微米级分辨率三维结构图谱来了,有什么意义?


(左)猕猴丘脑神经元群体投射;(右)猕猴丘脑神经元单轴突投射与追踪


徐放表示:“如此海量的数据蕴含着非常庞大的信息量,但也为数据分析带来极大的挑战。面对庞大的数据体积,研究团队开发了自动的三维图像拼接技术,实现了猕猴大脑的三维图像重建。目前这项工作只是一个非常初步的开始,未来我们还需要更多的数据科学家的合作参与,进行更深入的图像数据挖掘和分析,共同理解灵长类动物的大脑精细结构与智能的关系。”


脑图谱研究的意义


脑图谱相当于大脑的“地图”,能为特定的脑结构进行“定位”,从而为复杂的脑部研究和治疗提供“导航”,就像GPS地图导航系统一样。因此,脑图谱一直以来都是研究脑结构和功能及脑疾病的重要手段。


德国神经学家科比尼安·布洛德曼上世纪初绘制出了第一份人类大脑皮层图。据了解,这幅人脑皮层图至今仍是比较大脑活动区域及其结构时最常用的参考资料。但由于技术限制,早期的脑图谱研究存在局限性,如对功能复杂脑区的功能亚区便捷划分不明确、缺乏精度、与大脑很多区域最新的解剖和功能数据不匹配等。


脑网络组图谱是脑科学、认知科学、认知心理学等相关学科取得突破的关键,能为解析神经及精神疾病神经环路的结构和功能异常以及发展新一代诊断、治疗技术方法奠定坚实的基础。


文章来源: 中科院先进技术研究院,新华社

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