他們繪制的“腦地圖”成為新的金標(biāo)準(zhǔn)

2000年的一個午后，時任華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副院長駱清銘來到美國耶魯大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家戈登·謝潑德的辦公室。謝潑德在神經(jīng)解剖、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)計算科學(xué)等領(lǐng)域造詣深厚。此前，駱清銘有個想法被很多人視為天方夜譚，而這次他就想聽聽謝潑德的意見。

與謝潑德聊完，駱清銘雖有些失落，但仍決定繼續(xù)下去。如今，駱清銘已成為中國科學(xué)院院士，并從華中科技大學(xué)調(diào)至海南大學(xué)任生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授、腦空間信息學(xué)團隊負責(zé)人。在海南大學(xué)，他終于把那個曾經(jīng)難倒謝潑德的“天方夜譚”變成現(xiàn)實。

駱清銘帶領(lǐng)團隊成功繪制出小鼠三維腦區(qū)和立體定位圖譜，實現(xiàn)了以任意角度生成1微米分辨率的腦切面圖像。7月2日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

“路”不清楚，怎么“搞交通”

如果把大腦中的神經(jīng)元比作一個個省份，神經(jīng)元傳導(dǎo)就如同跨省交通。但是，有了山東地圖，也有了海南地圖，如何從山東到海南，在這張大腦地圖中卻是一片灰地。腦科學(xué)家想知道，神經(jīng)元在大腦中位于哪個位置、長什么樣子，更想知道神經(jīng)元傳導(dǎo)的奧秘。可是“路”都不清楚，怎么“搞交通”？

此前，駱清銘團隊花了整整10年時間，開發(fā)出給生物組織拍“3D全身照”的尖端顯微鏡技術(shù)。這款名為MOST的三維相機尤其擅長捕捉大腦等器官的精細結(jié)構(gòu)，甚至可以看清神經(jīng)細胞的連接方式。也就是說，他們擁有了一個搞清大腦“灰地”的工具。

當(dāng)時，有人勸駱清銘可以收手了。畢竟一個物理學(xué)家想繪制小鼠三維腦圖譜，有點異想天開。更何況，從本世紀(jì)初開始，各國科學(xué)家都在為三維腦圖譜而瘋狂，他們將切片厚度由40微米推進到25微米，再到10微米。就連美國“腦計劃”項目也曾組織過一幫科學(xué)家，向極致精度發(fā)起沖擊，但最后都沒有成功。

可是，駱清銘還是決定馬不停蹄地沖擊下一個高峰——繪制單細胞分辨率的小鼠腦立體定位圖譜。小鼠約90%的基因與人類同源，在生理、病理等方面與人類高度相似。由于人腦比鼠腦復(fù)雜1000倍，目前尚無大科學(xué)工程直接支持人腦圖譜開發(fā)。而高分辨率的MOST三維相機能拍到比傳統(tǒng)成像清晰100倍的圖像，這使傳統(tǒng)小鼠腦圖譜不再適用，建立新的三維腦圖譜成為可能。

駱清銘將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了1微米、任意角度切面。這一難度究竟有多大？

中國解剖學(xué)會理事長李云慶告訴筆者，1微米相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/50，但也就是這1微米切片厚度，可以將神經(jīng)元內(nèi)部切開，而以往技術(shù)最多達到切片厚度10微米、軸向分辨率百微米，尚不足以區(qū)分單個細胞。任意角度切面用在B超等檢查中最能說明問題——超聲波探頭不可能正好以90度接觸人體，可能是30度或135度，只有實現(xiàn)任意角度切面，才能更精準(zhǔn)地檢查。

愿花10年做1件“笨”事

學(xué)物理出身的駱清銘，從不敢妄稱自己是神經(jīng)科學(xué)家。可等這項研究完成后，很多人都說，這個團隊人人都是神經(jīng)解剖學(xué)家。

2010年，論文第一作者豐釗還是一名華中科技大學(xué)生物信息學(xué)的博士生，每天與DNA、基因打交道。博士快畢業(yè)時，他才接觸到這個項目：“我怎么也沒想到，自己有一天會變成‘繪圖’大師。”

傳統(tǒng)腦圖譜呈現(xiàn)的是模糊的二維切片信息，就像一張平面的紙質(zhì)地圖，無法完整展現(xiàn)大腦神經(jīng)細胞的三維形態(tài)、大小、位置，以及神經(jīng)元之間的連接。而他們要做的是讓這張地圖“站”起來、“動”起來。

“我們做的第一件事是手繪腦區(qū)圖。”豐釗最開始接觸的圖譜是一本100多頁的冊子，那是當(dāng)時的金標(biāo)準(zhǔn)——切面厚度25微米、軸向分辨率100像素，只有冠狀面、矢狀面，可以通俗地理解為只有X軸、Y軸，且畫質(zhì)粗糙，想要以此為藍本構(gòu)建三維模型幾乎不可能。

要想實現(xiàn)1微米、任意角度切面，研究人員要提供比金標(biāo)準(zhǔn)更精細的坐標(biāo)軸——不只有橫向平面的X軸、Y軸，還有縱深平面的Z軸。豐釗和團隊成員幾乎每周都在畫圖，幾年過去了，他們竟畫了上萬張腦區(qū)圖，熟悉到“隨便拿出一張手繪圖，就能立刻說出是哪個腦區(qū)、哪個位置”。當(dāng)然，隨著機器學(xué)習(xí)的引入，他們的畫圖速度也在加快。否則，“從零開始純手繪，單是畫圖就需要20年”。

10年后，一個透明的小鼠“水晶腦”呈現(xiàn)在電腦屏幕上，那是他們獲取的1.4萬張冠狀切面、1.14萬張矢狀切面和9000張水平切面，最后拼合成小鼠全腦細胞構(gòu)筑圖像。經(jīng)過染色后，人們可以清晰看到916個腦區(qū)，其中236個新發(fā)現(xiàn)的腦亞區(qū)揭示了未知的神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)。

很多人問“為什么要花如此長的時間，才能完成這項研究”，駱清銘說，“有時候真的沒法回答，我只好回答‘可能我們比較笨’”。現(xiàn)在，他把學(xué)生培養(yǎng)成了專家，再也沒人質(zhì)疑物理學(xué)家搞小鼠腦圖譜的能力了。

更精細的坐標(biāo)軸，影響力不止10年

雖然花了10年時間，但駱清銘堅信“這項研究的影響力肯定不止10年”，特別是在腦機接口、人工智能等領(lǐng)域。

不久前，埃隆·馬斯克的腦機接口研究讓失語者說話。“如果是有損植入，就需要確定電極插哪兒更準(zhǔn)確。而利用腦圖譜提供的更精細坐標(biāo)，就可以實現(xiàn)‘指哪兒打哪兒’的效果。”駱清銘補充說，人腦圖譜與鼠腦圖譜的原理是相通的，但現(xiàn)在還需要國家層面的大科學(xué)計劃支持。

“研究小鼠本質(zhì)上是通過簡化模型，為腦疾病研究提供可干預(yù)的模板。”團隊成員、華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心教授龔輝舉例，在小鼠腦圖譜中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“記憶編碼”的基本回路，這種回路的組織邏輯在人腦中同樣存在，只是人腦更復(fù)雜；科學(xué)家找到了與帕金森病相關(guān)的黑質(zhì)多巴胺神經(jīng)元集群，可通過光遺傳、藥物等手段實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。

研究人員繪制的腦圖譜為業(yè)界提供了新的金標(biāo)準(zhǔn)，可他們沒有將圖譜數(shù)據(jù)“私藏”，而是選擇了“開源”。位于蘇州的圖譜數(shù)據(jù)可視化與共享平臺，正面向公眾提供云計算和數(shù)據(jù)下載服務(wù)。“這就意味著，未來新手醫(yī)生找不到腦干出血點，可以根據(jù)圖譜尋找。神經(jīng)外科大夫上手術(shù)臺前，還可以依據(jù)圖譜在電腦前實現(xiàn)更精準(zhǔn)演練。”李云慶解釋說。

看到這項研究成果發(fā)表，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授薛天第一時間給駱清銘團隊發(fā)來信息：“幾乎所有神經(jīng)科學(xué)家都要使用的Paxinos＆Franklin小鼠腦圖譜，終于更新?lián)Q代了。未來工作終于可以用中國人的高精度圖譜了。”