腦，是我們每個(gè)人的“頂級(jí)配置”。我們之所以有喜怒哀樂，能夠?qū)W習(xí)、記憶、運(yùn)動(dòng)，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(hào)的流動(dòng)，反映大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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?qǐng)?bào)記者從東南大學(xué)獲悉，該校聯(lián)合美國(guó)艾倫腦科學(xué)研究所、華中科技大學(xué)、溫州醫(yī)科大學(xué)、騰訊等機(jī)構(gòu)，生成了目前世界上數(shù)目最大的關(guān)于小鼠的1741個(gè)單細(xì)胞神經(jīng)元的數(shù)據(jù)集，并鑒定了來(lái)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(guó)際期刊《自然》。

“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(xì)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(jī)制提供了重要信息。”論文共同第一作者、東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院副研究員劉力娟告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

諸多瓶頸曾制約全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)重建

走進(jìn)東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱東大腦智院)，工作人員正在電腦前標(biāo)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(biāo)記，神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)仍然密密麻麻，像一堆線團(tuán)。

人腦約有860億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元間的有序連接網(wǎng)絡(luò)決定了大腦能實(shí)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(xué)的重要模式動(dòng)物，它們有學(xué)習(xí)、記憶和社交能力，其大腦擁有上億個(gè)神經(jīng)元，觀察小鼠的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，對(duì)于了解人腦結(jié)構(gòu)和功能有重要參考價(jià)值。

不過，長(zhǎng)期以來(lái)，重建高通量的全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)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(xué)顯微成像技術(shù)很難獲得全腦圖像，這也是全腦研究的難點(diǎn)。”劉力娟說，此次研究中，科研團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了選擇性標(biāo)記的小鼠品系樣本，中國(guó)科學(xué)院院士駱清銘教授以及華中科技大學(xué)龔輝教授團(tuán)隊(duì)完成了基于熒光顯微光學(xué)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(dá)到15—20TB，這對(duì)圖像平臺(tái)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(hào)很弱，看清楚很難，而且神經(jīng)元分枝復(fù)雜，一旦追蹤錯(cuò)了，就無(wú)法準(zhǔn)確還原神經(jīng)元形態(tài)，也就是就追錯(cuò)了神經(jīng)元發(fā)送信號(hào)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(xì)胞可以跨越兩個(gè)腦半球，且分枝繁多，總長(zhǎng)度可達(dá)40厘米左右，因此準(zhǔn)確快速地重建神經(jīng)元十分困難。

在1741個(gè)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(xué)王宜敏博士團(tuán)隊(duì)開發(fā)了三維可視化Vaa3D-TeraVR平臺(tái)。在VR模塊中，研究人員可頭戴VR設(shè)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(shí)，東大腦智院建立了自動(dòng)化與手動(dòng)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(zhǔn)，并與安徽大學(xué)屈磊教授團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)圖像配準(zhǔn)算法mBrainAligner。基于這些平臺(tái)和算法，東大腦智院建立起完整的大數(shù)據(jù)管理和計(jì)算分析平臺(tái)。

“這些數(shù)據(jù)來(lái)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(xì)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(tuán)隊(duì)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(rèn)為可能是意識(shí)開關(guān)的屏狀核與側(cè)皮層屬于同一轉(zhuǎn)錄組類別Car3，但是實(shí)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(dá)20個(gè)，單個(gè)神經(jīng)元間的投射目的地差異巨大。”

更讓團(tuán)隊(duì)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(hào)被傳送到不同的腦區(qū)域。

“神經(jīng)元形態(tài)的多樣性，對(duì)于多水平地了解神經(jīng)元功能、揭示神經(jīng)元形成的復(fù)雜神經(jīng)環(huán)路提供了直觀的切入點(diǎn)。”劉力娟解釋。(科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳)

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