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探秘“大脑中的森林”,中国科学家这一研究被誉为“工程和技术上的奇迹”
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2022-04-01 06:16
摘要:“为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源”

如果把神经元比喻为“大脑中的森林”,其轴突就像森林中的“藤蔓”,盘根错节、纵横交错。借助这些“藤蔓”,神经元这一大脑最基本的信息处理单元,得以将信号投射到不同脑区。

给“大脑中的森林”来个素描——绘制高分辨率的大脑联接图谱,不仅有助于阐明大脑工作原理,还是世界各国打造全球脑科学中心的重要基础。

2022年3月31日,《自然·神经科学》以封面文章在线发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心严军研究组、徐宁龙研究组,华中科技大学苏州脑空间信息研究院龚辉团队合作的一项研究。他们在国际上率先重构了小鼠前额叶皮层6357个单神经元的轴突形态,建立了国际上最大的小鼠全脑介观神经联接图谱数据库,为深入解析脑功能、脑疾病提供了精准的“导航地图”,为新型人工智能系统的设计提供了重要参考。
小鼠前额叶6357个单神经元全脑投射图谱

【一道国际上公认的难题】

前额叶皮层在决策、工作记忆、注意力等高级认知­­­功能中扮演重要角色,其结构和功能异常会导致多种脑疾病。前额叶神经元投射范围很广,几乎覆盖大部分脑区。已有的研究大多利用“群体神经元”示踪技术,但在单个神经元水平上,前额叶神经元轴突投射的规律还不清楚。

线虫只有300个神经元,轴突长度大概50厘米,也就两个篮球的直径;小鼠有1亿个神经元,轴突总长度有5000公里,差不多是从中国的最西边到最东边的跨度。”严军介绍,绘制小鼠的脑联接图谱是一个巨大工程,需要在太字节量级的全脑光学成像大数据中,对单神经元形态逐个进行三维重构。这一过程工作量大、极为复杂和耗时,是国际上公认的难题。

【为脑疾病研究提供“金标准”数据库】

为解决这一问题,严军研究组的苟凌峰博士通过数年攻关,自主开发了太字节量级的光学成像大数据神经元追踪及分析软件,为研究模式动物各脑区的神经联接图谱建立了国际领先的研究方法和流程。


严军研究组

通过与徐宁龙团队、龚辉团队、脑智卓越中心全脑介观神经联接图谱平台等多个团队合作,该研究获得161个小鼠的全脑成像数据,并从中重构了6357个前额叶单神经元轴突形态。“这一全脑成像的分辨率可达到头发丝的1/200,可以连续1000个小时精准成像。之前数年,全世界一共重建了3000多个单神经元轴突分辨率的数据,我们这次重构了6000多个。”龚辉介绍。

研究团队利用自主开发的分析方法,获得了64个投射亚型。“过去,我们只知道神经元大致有3种类型,从3到64的跃升,为探寻‘前额叶脑区到底是怎么工作的’提供了重要线索,我们据此还提出了前额叶皮层可能的工作模型。”严军说。

这一研究对于脑疾病是否有新的启发?“我们发现,如果患了阿尔茨海默症,其前额叶和其他脑区的神经元会凋亡,尤其是树突的复杂性会减少。”龚辉说,这项工作为脑疾病研究提供了一个“金标准”的数据库,相当于提供了一个“导航地图”。

“这项研究为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源。”审稿人认为,“这是一项工程和技术上的奇迹。”

题图来源:图虫创意 图片编辑:雍凯
内图由采访对象提供
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