大腦是結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的器官，識(shí)別大腦的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)腦科學(xué)研究有著重要作用。長(zhǎng)久以來(lái)，為了能“看清”大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，科學(xué)家們都在嘗試?yán)L出一幅包含連接性、功能和微觀結(jié)構(gòu)的大腦高清“地圖”。

7月26日，中國(guó)科學(xué)院深圳理工大學(xué)（籌，下稱(chēng)“中科院深理工”）/中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院（下稱(chēng)“深圳先進(jìn)院”）、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院等團(tuán)隊(duì)的研究人員在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）在線發(fā)表了一項(xiàng)最新研究。研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年，通過(guò)自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術(shù)和靈長(zhǎng)類(lèi)腦圖譜繪制SMART流程，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的微米級(jí)分辨率三維解析，這是目前世界上最高精度的靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦圖譜。

中科院深理工/深圳先進(jìn)院副研究員徐放，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生沈燕、丁露鋒、楊朝宇為論文第一作者。中科院深理工/深圳先進(jìn)院腦認(rèn)知與腦疾病研究所畢國(guó)強(qiáng)教授和劉北明教授為該論文的通訊作者。

大腦功能是由其近千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，以及細(xì)胞之間纖細(xì)而復(fù)雜的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。要深入理解大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，需要將這些精密連接結(jié)構(gòu)解析出來(lái)，就像給大腦繪制一幅三維高清地圖。腦圖譜解析是神經(jīng)科學(xué)前沿研究領(lǐng)域，而對(duì)靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的腦圖譜解析也是中國(guó)腦計(jì)劃的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

研究團(tuán)隊(duì)提到，目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠，國(guó)際通用的成像技術(shù)對(duì)其進(jìn)行微米分辨率全腦成像通常需要數(shù)天的時(shí)間，而獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時(shí)間內(nèi)完成全腦成像是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。

VISoR2 顯微鏡工程簡(jiǎn)圖。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年攻關(guān)，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術(shù)（該工作于2019年發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》）。這一技術(shù)通過(guò)斜截面掃描照明與同步成像實(shí)現(xiàn)了在樣品連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行無(wú)模糊的圖像采集，消除了傳統(tǒng)大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來(lái)的時(shí)間損失，數(shù)據(jù)采集速度比當(dāng)前通用于小鼠腦圖譜繪制的幾種三維光學(xué)成像技術(shù)提升數(shù)十倍，使得猴腦圖譜解析成為可能。 

除了成像通量的挑戰(zhàn)，對(duì)獼猴腦進(jìn)行高分辨全腦成像還面臨溝回結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組織透明度差等多方面的困難。研究團(tuán)隊(duì)采取先對(duì)離體大腦進(jìn)行包埋切片的方式，使得溶液滲透效率僅依賴(lài)于切片厚度，而不受其大小的影響，并且發(fā)展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對(duì)腦片的灰質(zhì)與白質(zhì)不同部分、不同深度達(dá)到均勻透明。

然后通過(guò)改進(jìn)的VISoR2系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)最終對(duì)獼猴全腦樣品在100小時(shí)內(nèi)完成1×1×2.5微米三維分辨率的圖像采集，項(xiàng)目中兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過(guò)了1PB。

由于數(shù)據(jù)體積龐大，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了自動(dòng)的三維圖像拼接技術(shù)和漸進(jìn)式的半自動(dòng)追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建和神經(jīng)元軸突纖維的長(zhǎng)距離追蹤，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質(zhì)溝回處轉(zhuǎn)折延伸的多種路徑形態(tài)。 

獼猴丘腦神經(jīng)元軸突投射與追蹤。

“VISoR技術(shù)作為當(dāng)前世界最快的大尺度三維組織成像方法，可以對(duì)各種模型動(dòng)物大腦進(jìn)行高通量、高精度的定量解析，并可擴(kuò)展至其它組織器官，在大規(guī)模藥物篩選、快速病理診斷，以及更大型生物樣品成像等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景?！碑厙?guó)強(qiáng)表示，“這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，將有望幫助理解人類(lèi)大腦和身體器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其在疾病中的變化規(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)，促進(jìn)人類(lèi)健康?！?/p>

獼猴大腦的三維高分辨重建圖（a）、截面圖（b）、內(nèi)部神經(jīng)纖維展示（c），以及部分神經(jīng)纖維的全腦示蹤和可視化（d）。

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)將深入研究靈長(zhǎng)類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)的組成，以及其與大腦智能的關(guān)系和疾病中的變化，并與醫(yī)院、人工智能相關(guān)公司開(kāi)展合作，繼續(xù)開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)，用于動(dòng)物及人類(lèi)器官病理組織的高分辨全景三維成像。

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00986-5