腦中“天書”被解碼大腦“高清地圖”來啦！

大腦，作為人體最復雜和精密的器官，可謂是自然界最復雜的“超級計算機”，它包含近 1000 億個神經元和超過 100 萬億個神經聯接。大腦各區域中的上行與下行的神經聯接，如同一條條“信息高速公路”，聯接大腦與身體的每一個角落，承載著大腦指令下達與器官信息上傳的雙向通信——例如，運動神經傳遞大腦指令控制機體運動，感覺神經收集感知信息（如觸覺、痛覺）并反饋至大腦，共同維持生命活動。

精確繪制一張大腦的“高清地圖”——腦圖譜，將有助于理解大腦的復雜功能機制并探究到相關疾病（如疼痛、癱瘓、自主神經紊亂）的致病機理。然而，繪就這張“高清地圖”又是極其困難的——神經纖維直徑僅發絲的幾十分之一，具有高度的多樣性、動態演化特性和物種差異，它們形成了錯綜復雜、蜿蜒交織的神經接網絡布全身，宛如一部“天書”。

為了能夠破解人體大腦這個“黑匣子”，全球各國紛紛制定了不同的腦圖譜研究計劃，我國科學家則提出了“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃，將繪制非人靈長類動物和人腦全腦有單細胞分辨率的介觀（介乎于微觀和宏觀之間的狀態）圖譜作為主要目標。

近日，中國科學家集中發布了為大腦繪制“高清地圖”的10項成果。中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（以下簡稱“腦智卓越中心”）、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學研究院、中國科技大學、浙江大學、上海腦科學與類腦研究中心、鄭州大學基礎醫學院等國內科研機構，聯合法國、瑞典、英國等多國科學家，借助腦成像、空間轉錄組和人工智能等前沿技術，實現了介觀腦聯接圖譜繪制從嚙齒類到靈長類的跨越。

這10項成果以專題論文集的形式集中發表在《細胞》等國際頂尖學術期刊，這也是《細胞》系列期刊首次以專輯形式集中發表來自中國腦科學領域的研究論文。中國科學院院士、腦智卓越中心學術主任蒲慕明說，“這次發布的成果不僅有論文，還有數據庫、數據資源和技術平臺，這將為理解人類大腦奧秘提供堅實基礎”。

可以毫不夸張地說，系列成果不僅為理解大腦的“智慧密碼”提供了前所未有的“高清地圖”，鞏固了我國在介觀腦圖譜領域的國際影響力，更進一步彰顯了中國科研團隊在這一領域的領先優勢。

繪制大腦“高清圖譜”

如果我們將大腦想象成為一座擁有千萬億人口的“超級城市”，腦圖譜就是這座城市的“高清地圖”，它不僅能清晰地顯示出大腦的“城市分區”，還能標注出“多巴胺快遞員”的派送路線和“記憶編碼電路”的鋪設路徑。

蒲慕明院士指出，在一般的醫院中，腦影像的分辨率非常低，無法得到非常明確的單細胞層面的聯接情況。因此，目前神經科學界和腦科學界的一個重大課題，是將各種細胞類型之間的網絡結構分析清楚，這就是介觀神經聯接圖譜的研究內容，人們用它來回答“大腦里有哪些細胞，它們分別在哪里、它們之間到底是如何聯接、如何分工合作”等問題的。

我們都知道前額葉皮層是大腦里的“控制中心”，它掌管著人類日常生活中的高級認知功能，比如記憶、注意、決策和行為控制。科學家指出，由于獼猴與我們擁有相似的大腦結構，尤其是在前額葉皮層方面表現出高度的同源性，構建獼猴前額葉的單神經元聯接圖譜，有助于建立更精準的神經疾病模型，也能為諸如抑郁癥等疾病的診斷和干預提供結構依據。因為精神分裂癥、抑郁癥等常常涉及前額葉與其他腦區的異常連接。

過往的研究，類似于俯瞰城市交通，能看出主干道的分布，卻看不清每一輛車的具體行駛軌跡。要想真正理解大腦中每一條“信息高速公路”的起點、終點和具體路徑，就需要更加精細的觀察方式，也就是單神經元層面的研究。

此番，研究人員將帶有熒光標記的病毒注射到獼猴前額葉皮層中的19個位點，讓神經元發光，這樣科學家就能追蹤每一根神經纖維的走向，然后利用高分辨率的成像技術產生出了體量巨大的數據——相當于10萬部高清電影、接近PB（1000TB）量級的數據。

如何在如此巨大體量的數據中準確、高效地重構出大量神經元的投射圖譜呢？研究人員受“電腦在線游戲”的啟發，開發了一款名為Gapr的大規模單神經元重構系統，結合AI全自動重構和多人同時參與的協同校對，最終完成了獼猴前額葉2231個神經元的完整投射圖譜。

通過與團隊之前繪制的小鼠前額葉單神經元投射圖譜進行比較，研究人員有了驚人的發現：靈長類大腦的神經連接模式比小鼠更為“精簡高效”，這可能是實現高級認知功能的重要特征。

這一發現打破了原先“物種越高等，單神經元連接越復雜”的假設：靈長類大腦的單神經元結構并非更復雜，而是采取了更專一的投射靶向、更高效的聯接模式。研究人員做了一個形象的比喻：靈長類大腦如同員工數量龐大、人人分工明確的“大公司”，而小鼠大腦如同員工數量少、人人都是多面手的“小公司”。

獼猴前額葉皮層的單細胞分辨率全腦聯接圖譜的首次繪制，讓我們得以看清大腦中信息傳輸的“精密線路圖”，不僅為我們揭示了大腦如何實現注意力、記憶、決策等復雜認知功能背后可能的神經基礎，也能幫助人們從精確神經連接的角度來重新認識大腦的工作原理。美國科學院院士、麻省理工學院麥戈文腦研究所所長Robert Desimone將這一成果為“杰作”。

技術加持，破解大腦之謎

大腦“地圖”的繪制離不開更精準有效的測序、示蹤、觀測等技術。長期以來，要在獼猴大腦中精準地標記和調控特定類型的細胞極為困難。腦智卓越中心的劉真研究組牽頭合作研發的工具集，如同開發了一套“精準導航”的分子工具，使研究人員無需再依賴耗時漫長的轉基因模型，就能在靈長類大腦中便捷地實現對特定神經元的活性“開關”和“觀測”，這一技術標志著“靈長類腦科學進入了精準細胞類型研究的新階段”。

在本次發布的成果中，中國科大團隊開發了全身組織三維高速熒光成像blockface-VISoR技術，相當于給小鼠做“全身高清CT”。40小時掃完全身，連神經末梢和毛細血管都清晰可見。

“靈長類細胞特異性標記技術、全身組織三維高速熒光成像這兩項技術成果，進一步強化了我國腦圖譜研究的技術體系。”腦智中心黨委書記孫衍剛表示，“此次發布的另外8項成果，也得益于過去熒光顯微光學切片斷層成像fMOST技術、時空轉錄組學Stereo-seq技術等的發展。我們形成了‘技術開發+平臺支撐+團隊協作’的模式。在10項成果里有兩項是關鍵技術突破，在此基礎上，我們通過建立平臺和團隊協作，在神經環路解析、腦進化解密和腦疾病解碼三方面取得了一系列突破。”

這一系列“高清地圖”的發布，其意義遠不止于數據本身，它為腦科學基礎研究、腦疾病診療和類腦智能發展提供了關鍵的鑰匙。“屏狀核”，這個人腦深處薄如紙片神秘結構，一直是神經科學領域最為神秘和引人關注的研究對象之一。此番多國聯合的研究團隊首次繪制出迄今為止最為詳細和全面的非人靈長類屏狀核單細胞空間轉錄圖譜，為破解意識之謎奠定了堅實基礎。

另有研究團隊率先在全球范圍內成功繪制了正常人及阿爾茨海默病（AD）患者海馬體的單細胞分辨率的空間轉錄組圖譜，填補了該領域的研究空白。有了這張高精度“大腦地圖”，科學界終于可以“按圖索驥”，深入解析AD的發病機制，為精準醫學打開了新路徑，有望將AD早期診斷提前5-10年。

多國合作，

繪就大腦“世界地圖”

中國腦圖譜研究成果在頂刊十連發，是中國腦計劃自2021年實施以來，第一次向全球學術界集中展示研究成果。這些成果由國內外30多家科研機構超過300人的團隊共同完成，充分展現了國際團隊協同攻關的重要性。

事實上，靈長類腦圖譜研究工程浩大、周期長、數據量驚人，繪制大腦“世界地圖”，需要聯合更多國際同行共同參與，此次成果的集中發布，只是繪制這張大腦“世界地圖”的起點。蒲慕明院士和駱清銘院士計劃于今年9月牽頭成立“國際靈長類介觀腦圖譜聯盟”，推進腦圖譜大科學計劃在總體目標、國際分工和管理機制等方面形成國際共識，進一步整合技術、平臺、人員、數據等資源，形成更大規模的跨機構科研合作團隊，從已經取得突破的小鼠和獼猴圖譜出發，穩步向著繪制人類介觀腦圖譜的最高目標邁進。

從最初的模糊輪廓到如今的“高清地圖”，人類對自身大腦的探索正邁入一個新紀元。由中國科學家主導繪制的圖譜，不僅是基礎科學的寶貴財富，也為最終實現“認識腦、保護腦、模擬腦”的目標奠定了堅實的基石。