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自主研发技术！中国科学家实现迄今最高精度猕猴三维脑图谱

澎湃新闻记者贺梨萍

2021-07-27 16:45

来源：澎湃新闻

大脑是结构和功能最复杂的器官，识别大脑的三维结构，对脑科学研究有着重要作用。长久以来，为了能“看清”大脑的内部结构，了解其运转机制，科学家们都在尝试绘出一幅包含连接性、功能和微观结构的大脑高清“地图”。

7月26日，中国科学院深圳理工大学（筹，下称“中科院深理工”）/中国科学院深圳先进技术研究院（下称“深圳先进院”）、中国科学技术大学和合肥综合性国家科学中心人工智能研究院等团队的研究人员在国际学术期刊《自然-生物技术》（Nature Biotechnology）在线发表了一项最新研究。研究团队历时5年，通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制SMART流程，实现了猕猴大脑的微米级分辨率三维解析，这是目前世界上最高精度的灵长类动物的脑图谱。

中科院深理工/深圳先进院副研究员徐放，中国科学技术大学研究生沈燕、丁露锋、杨朝宇为论文第一作者。中科院深理工/深圳先进院脑认知与脑疾病研究所毕国强教授和刘北明教授为该论文的通讯作者。

大脑的所有意识、思维活动都通过神经纤维进行信号传输。神经纤维的直径是头发丝的1/100左右，而长度是直径的数十万倍。这是利用本项工作研发的SMART流程重建的猕猴脑中一根神经纤维的形状。视频来源：研究团队(01:00)

大脑功能是由其近千亿个神经细胞，以及细胞之间纤细而复杂的连接来实现的。要深入理解大脑的运转机制，需要将这些精密连接结构解析出来，就像给大脑绘制一幅三维高清地图。脑图谱解析是神经科学前沿研究领域，而对灵长类动物的脑图谱解析也是中国脑计划的一个重点研究方向。

研究团队提到，目前的脑图谱研究主要集中于小鼠，国际通用的成像技术对其进行微米分辨率全脑成像通常需要数天的时间，而猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上，要在较短时间内完成全脑成像是一项极大的挑战。

VISoR2 显微镜工程简图。

为应对这一挑战，研究团队经过数年攻关，研发了VISoR高速三维荧光成像技术（该工作于2019年发表于《国家科学评论》）。这一技术通过斜截面扫描照明与同步成像实现了在样品连续运动时进行无模糊的图像采集，消除了传统大样品成像需要在不同的小视野切换、停顿所带来的时间损失，数据采集速度比当前通用于小鼠脑图谱绘制的几种三维光学成像技术提升数十倍，使得猴脑图谱解析成为可能。

除了成像通量的挑战，对猕猴脑进行高分辨全脑成像还面临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的困难。研究团队采取先对离体大脑进行包埋切片的方式，使得溶液渗透效率仅依赖于切片厚度，而不受其大小的影响，并且发展了高折射率的PuClear组织透明化方法，对脑片的灰质与白质不同部分、不同深度达到均匀透明。

然后通过改进的VISoR2系统，研究团队最终对猕猴全脑样品在100小时内完成1×1×2.5微米三维分辨率的图像采集，项目中两只猕猴大脑图像原始数据量超过了1PB。

由于数据体积庞大，研究团队还开发了自动的三维图像拼接技术和渐进式的半自动追踪技术，实现了猕猴大脑的三维图像重建和神经元轴突纤维的长距离追踪，并在此基础上发现了前所未知的猕猴轴突纤维投射特性及其在大脑皮质沟回处转折延伸的多种路径形态。

猕猴丘脑神经元轴突投射与追踪。

“VISoR技术作为当前世界最快的大尺度三维组织成像方法，可以对各种模型动物大脑进行高通量、高精度的定量解析，并可扩展至其它组织器官，在大规模药物筛选、快速病理诊断，以及更大型生物样品成像等领域都有广阔的应用前景。”毕国强表示，“这项技术产生的超大规模数据与人工智能技术的结合，将有望帮助理解人类大脑和身体器官的精细结构及其在疾病中的变化规律，加速医疗诊断和药物研发，促进人类健康。”