中國腦計劃成果登上《科學(xué)》： 多團(tuán)隊聯(lián)手，解析出小鼠海馬體單神經(jīng)元全腦投射規(guī)律

想要幫助視障人士恢復(fù)視覺，植入一個腦機接口、讀出腦電信息就足夠了嗎？顯然沒那么簡單。“看到”之后產(chǎn)生空間感知、存儲記憶，都與大腦海馬體中的信息投射有關(guān)。

為了對這個與學(xué)習(xí)、記憶、情緒、認(rèn)知等腦功能息息相關(guān)的復(fù)雜腦區(qū)有全景式了解，在中國腦計劃的項目支持下，由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心領(lǐng)銜，聯(lián)手多個國內(nèi)研究團(tuán)隊，花費近4年，解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律，并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫。論文于2月2日發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

上萬個腦細(xì)胞中識別出43種“信息傳輸員”

大腦中的海馬體功能復(fù)雜而重要。曾經(jīng)，三位科學(xué)家在海馬腦區(qū)發(fā)現(xiàn)了位置細(xì)胞，解開大腦空間定位系統(tǒng)之謎，就獲得了2014年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

不過，整個海馬體究竟有哪些功能區(qū)？它們又將信息投遞到何處？這個工作量龐大卻對腦科學(xué)具有重要意義的基礎(chǔ)性難題，卻一直無人解答。

“中國腦計劃的一個重要目標(biāo)，就是要弄清全腦神經(jīng)元是如何聯(lián)接的。從細(xì)胞圖譜到聯(lián)接圖譜，就是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變。”中國科學(xué)院院士、腦智卓越中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明說，這次發(fā)表的世界上最大的海馬腦區(qū)信息投射聯(lián)接圖譜，就是一個階段性成果。

通過海馬體切片、基因分型、三維重構(gòu)、數(shù)據(jù)分析等多種先進(jìn)技術(shù)手段，研究團(tuán)隊在海馬體的不同位置提取了上萬個腦細(xì)胞，建立起小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫。

“我們從中分析出了小鼠海馬神經(jīng)元的341種主要投射模式，最終歸納出43種全腦投射細(xì)胞類型。”腦智卓越中心徐春研究員是這項研究的領(lǐng)銜人，“如果將海馬體比作一幢行政大樓，我們基本給每間辦公室都貼上了標(biāo)簽，每個辦公室會聚集不同功能特點的神經(jīng)元，會以不同方式將信息送達(dá)不同腦區(qū)”。

結(jié)合軸突投射路徑和主要投射模式，研究團(tuán)隊總結(jié)了43種全腦投射細(xì)胞類型。

更值得一提的是，研究團(tuán)隊還關(guān)注到這些神經(jīng)元之間的“人際關(guān)系”。徐春解釋，就像有些同事經(jīng)常一起合作，而有的偶爾有工作交流，神經(jīng)元之間的聯(lián)接還有強弱之分。跟傳統(tǒng)的投射圖譜相比，單細(xì)胞全腦投射圖譜能夠很好地表征這些信息。“這對將來深入理解不同腦區(qū)之間的協(xié)作機制有著重要意義”。

從小鼠到人腦，需要更多底層技術(shù)突破

在蒲慕明看來，這次成果僅僅是一個起步。小鼠海馬體的神經(jīng)元數(shù)量數(shù)以百萬計，獼猴的海馬體神經(jīng)元數(shù)量百倍于小鼠，而人腦的海馬體又百倍于獼猴。顯而易見，科學(xué)家的探索之路道阻且長。

不過，通過近四年的努力，一支多學(xué)科融合、底層技術(shù)扎實的科研團(tuán)隊已經(jīng)形成。參與此次研究的，除了領(lǐng)銜的腦智卓越中心外，還有華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、海南大學(xué)、中國科學(xué)院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等多家單位。

回憶過去四年，徐春感觸最深的就是團(tuán)隊的跨學(xué)科合作，“對于生物學(xué)背景的學(xué)者而言，要完成計算機領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，實在是困難重重。好在通過與計算數(shù)據(jù)方面的合作者的深入交流，最終找到了很多優(yōu)秀解決方案。”

“過去四年，有很多個夜晚，我都在深夜獨自一行行敲代碼。當(dāng)時感覺很辛苦，但現(xiàn)在想來是一種幸福。”論文第一作者之一、腦智卓越中心博士生邱收說，無論遇到哪方面的問題，都能在團(tuán)隊中找到交流的人。

不同側(cè)面的單細(xì)胞分辨率全腦投射圖譜

論文通訊作者之一、臨港實驗室研究員李澄宇特別感謝來自華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院的技術(shù)支撐。神經(jīng)元軸突僅有頭發(fā)絲1/200粗細(xì)，而長度堪比女生披肩長發(fā)，可在全腦中蜿蜒曲折幾十厘米。“我們之所以能成功挑戰(zhàn)這一目標(biāo)，他們獨步全球的全腦熒光標(biāo)記技術(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。”李澄宇認(rèn)為，未來還應(yīng)在底層技術(shù)的創(chuàng)新突破上加大投入。

開放數(shù)據(jù)庫，在國際合作中加速認(rèn)知大腦

目前，小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫已經(jīng)上線，全球科學(xué)家都可下載相關(guān)數(shù)據(jù)用于科學(xué)研究。

徐春介紹，團(tuán)隊專門對數(shù)據(jù)進(jìn)行了專業(yè)的可視化處理，以方便更多研究者使用，“我們希望今后有源源不斷的研究成果從數(shù)據(jù)中誕生，持續(xù)深化人類對海馬體的了解”。

“美國腦計劃已開展十年，而中國腦計劃剛推行兩年，我們非常需要更多支撐，尤其通過全球合作，來加速我們的研究步伐。”蒲慕明表示，有“三磅宇宙”之稱的大腦，是生命科學(xué)界尚未攻克的最后疆域，“在聯(lián)接圖譜領(lǐng)域，中國有一定的科研優(yōu)勢。我們要牢牢抓住這些領(lǐng)域，在世界腦科學(xué)中保持領(lǐng)先。”

徐春透露，下一步研究團(tuán)隊將關(guān)注海馬體的跨物種演化，從不同物種的海馬體對比中，解讀出其進(jìn)化之路，并開展大量的海馬體功能驗證研究。