我國科學家實現獼猴大腦微米級分辨率三維解析 世界上最高精度靈長類動物腦圖譜

大腦是生命活動的司令部，識別大腦三維結構，對腦科學研究有重要作用。7月26日，中科院深理工/中科院深圳先進院畢國強教授等的最新研究成果發表于《自然·生物技術》。團隊歷時5年，通過自主研發的高通量三維熒光成像VISoR技術和靈長類腦圖譜繪制SMART流程，實現了獼猴大腦的微米級分辨率三維解析。這也是目前世界上最高精度的靈長類動物腦圖譜。

長久以來，為了能“看清”大腦的內部結構，了解其運轉機制，科學家們都在嘗試繪出一幅包含連接性,功能和微觀結構的大腦高清“地圖”并做出諸多努力，然而其技術難度極大。

大腦內部的神經網絡結構，就像地球表面錯綜復雜的道路與河流。要繪制它的高清“地圖”，需要精細分解和描繪復雜的三維結構。由于技術限制，目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠層面，國際通用的成像技術，對小鼠進行微米分辨率全腦成像，通常需要數天時間。獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時間內完成獼猴全腦成像，是一項極大挑戰。

此前，團隊經過數年攻關，研發了VISoR高速三維熒光成像技術，于2019年發表于《國家科學評論》。這一技術通過斜截面掃描照明與同步成像，實現了在樣品連續運動時，進行無模糊的圖像采集，消除了傳統大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來的時間損失，數據采集速度比當前通用的幾種方法提升了數十倍。

據悉，該項目中兩只獼猴大腦圖像原始數據量超過了1 PB，約相當于113塊10T硬盤的數量存儲大小。“如此海量的數據蘊含著非常龐大的信息量，但也為數據分析帶來極大的挑戰。”論文共同第一作者徐放表示。為此，團隊開發了自動三維圖像拼接技術，實現了獼猴大腦的三維圖像重建。

成像不僅要全面，更要高清。大腦內有上億個神經元，長長的神經元軸突就像是電線，延伸到大腦的各個區域，發揮著傳輸信號的功能。要完整描繪它們，需要微米級分辨率。

為此，團隊開發了漸進式的半自動追蹤技術，實現了對神經元軸突的長距離追蹤，并基于前期工作基礎，發現了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性，及其在大腦皮質溝回處轉折延伸的多種路徑形態。

“他們的初步觀察表明，大腦皮層下方白質中的許多軸突具有出乎意料的復雜軌跡，包括與皮層折疊相關聯的急轉彎。這一發現可能對理解大腦形態發生和‘布線長度最小化’原則具有深遠的意義。”美國科學院院士、神經生物學與解剖學家、華盛頓大學David van Essen(大衛·馮·埃森)教授表示。

“VISoR技術作為當前世界最快的大尺度三維組織成像方法，可以對各種模型動物大腦進行高通量、高精度的定量解析，并可擴展至其他組織器官，在大規模藥物篩選、快速病理診斷，以及更大型生物樣品成像等領域都有廣闊的應用前景。這項技術產生的超大規模數據與人工智能技術的結合，有望加速腦疾病診斷和藥物研發。”畢國強表示。