中國腦計(jì)劃成果登上《科學(xué)》: 多團(tuán)隊(duì)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(gè)腦機(jī)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(chǔ)記憶,都與大腦海馬體中的信息投射有關(guān)。
為了對(duì)這個(gè)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(jì)劃的項(xiàng)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(gè)國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì),花費(fèi)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(gè)腦細(xì)胞中識(shí)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(jiǎng)。
不過,整個(gè)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(gè)工作量龐大卻對(duì)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(jì)劃的一個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)在海馬體的不同位置提取了上萬個(gè)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(xiàng)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(gè)辦公室會(huì)聚集不同功能特點(diǎn)的神經(jīng)元,會(huì)以不同方式將信息送達(dá)不同腦區(qū)”。
更值得一提的是,研究團(tuán)隊(duì)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(qiáng)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(duì)將來深入理解不同腦區(qū)之間的協(xié)作機(jī)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(gè)起步。小鼠海馬體的神經(jīng)元數(shù)量數(shù)以百萬計(jì),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(shí)的科研團(tuán)隊(duì)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(dòng)物研究所、臨港實(shí)驗(yàn)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(duì)的跨學(xué)科合作,“對(duì)于生物學(xué)背景的學(xué)者而言,要完成計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理任務(wù),實(shí)在是困難重重。好在通過與計(jì)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(gè)夜晚,我都在深夜獨(dú)自一行行敲代碼。當(dāng)時(shí)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(duì)中找到交流的人。
論文通訊作者之一、臨港實(shí)驗(yàn)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(dú)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(duì)專門對(duì)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(duì)海馬體的了解”。
“美國腦計(jì)劃已開展十年,而中國腦計(jì)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(duì)將關(guān)注海馬體的跨物種演化,從不同物種的海馬體對(duì)比中,解讀出其進(jìn)化之路,并開展大量的海馬體功能驗(yàn)證研究。
圖:受訪者提供
編輯:許琦敏
責(zé)任編輯:任荃
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