腦，是我們每個(gè)人的“頂級配置”。我們之所以有喜怒哀樂(lè )，能夠學(xué)習、記憶、運動(dòng)，擁有良好的睡眠，都離不開(kāi)大腦的調控。神經(jīng)元是大腦行使功能的基本單位，它的3D結構特征可以揭示腦內神經(jīng)信號的流動(dòng)，反映大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )連接，也是鑒定神經(jīng)元類(lèi)別的重要參數。

　　不過(guò)，想清晰地看清并重建大量神經(jīng)元全腦形態(tài)，還存在諸多瓶頸。10月13日，科技日報記者從東南大學(xué)獲悉，該校聯(lián)合美國艾倫腦科學(xué)研究所、華中科技大學(xué)、溫州醫科大學(xué)、騰訊等機構，生成了目前世界上數目最大的關(guān)于小鼠的1741個(gè)單細胞神經(jīng)元的數據集，并鑒定了來(lái)自皮層、屏狀核、丘腦和紋狀體等腦區的11種主要神經(jīng)元投射類(lèi)型，成果近日發(fā)表于國際期刊《自然》。

　　“雖然小鼠的大腦和人類(lèi)大腦存在差異，但是在結構和細胞類(lèi)型方面大體上是相似的，因此鼠腦神經(jīng)元的研究為解析人腦的神經(jīng)元類(lèi)別以及探索神經(jīng)系統疾病如精神分裂癥、自閉癥、抑郁癥等的機制提供了重要信息?！闭撐墓餐谝蛔髡?、東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院副研究員劉力娟告訴科技日報記者。

　　諸多瓶頸曾制約全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )重建

　　走進(jìn)東南大學(xué)腦科學(xué)與智能技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)東大腦智院），工作人員正在電腦前標注鼠腦的神經(jīng)元結構信息。屏幕上的大腦輪廓中，盡管做了神經(jīng)元的選擇性標記，神經(jīng)元的結構仍然密密麻麻，像一堆線(xiàn)團。

　　人腦約有860億個(gè)神經(jīng)元，神經(jīng)元間的有序連接網(wǎng)絡(luò )決定了大腦能實(shí)現哪些功能。了解神經(jīng)元結構，使連接路徑可視化，將有助于闡明神經(jīng)元的功能。

　　小鼠是研究腦科學(xué)的重要模式動(dòng)物，它們有學(xué)習、記憶和社交能力，其大腦擁有上億個(gè)神經(jīng)元，觀(guān)察小鼠的神經(jīng)元結構，對于了解人腦結構和功能有重要參考價(jià)值。

　　不過(guò)，長(cháng)期以來(lái)，重建高通量的全腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )一直存在瓶頸。

　　“小鼠的腦只有約成人指甲蓋大小，而且有蛋白質(zhì)等結構，不透明，所以普通的光學(xué)顯微成像技術(shù)很難獲得全腦圖像，這也是全腦研究的難點(diǎn)?！眲⒘暾f(shuō)，此次研究中，科研團隊構建了選擇性標記的小鼠品系樣本，中國科學(xué)院院士駱清銘教授以及華中科技大學(xué)龔輝教授團隊完成了基于熒光顯微光學(xué)切片斷層成像系統的高分辨率小鼠全腦圖像采集。

　　但高分辨率也令小鼠全腦圖像體量巨大，達到15—20TB，這對圖像平臺的算法和數據處理能力形成很大挑戰。

　　“有的神經(jīng)元信號很弱，看清楚很難，而且神經(jīng)元分枝復雜，一旦追蹤錯了，就無(wú)法準確還原神經(jīng)元形態(tài)，也就是就追錯了神經(jīng)元發(fā)送信號的路徑?！眲⒘晁苑翘?，全腦神經(jīng)元結構龐大，某些小鼠的腦皮層細胞可以跨越兩個(gè)腦半球，且分枝繁多，總長(cháng)度可達40厘米左右，因此準確快速地重建神經(jīng)元十分困難。

　　在1741個(gè)神經(jīng)元的數據集中“捕捉”到11種投射類(lèi)型

　　為破解這些難題，東大腦智院與上海大學(xué)王宜敏博士團隊開(kāi)發(fā)了三維可視化Vaa3D-TeraVR平臺。在VR模塊中，研究人員可頭戴VR設備，“沉浸式觀(guān)察”神經(jīng)元結構，從而大大降低重建繁雜難辨的神經(jīng)元的難度。

　　同時(shí)，東大腦智院建立了自動(dòng)化與手動(dòng)結合的神經(jīng)元重建流程，使神經(jīng)元的形態(tài)“捕捉”變得更加高效、精準，并與安徽大學(xué)屈磊教授團隊合作研發(fā)圖像配準算法mBrainAligner?；谶@些平臺和算法，東大腦智院建立起完整的大數據管理和計算分析平臺。

　　“這些數據來(lái)自腦皮層、屏狀核、紋狀體和丘腦等腦區神經(jīng)元，是目前世界上公布的最大單細胞腦神經(jīng)元數據集?！眲⒘暾f(shuō)。

　　有了這些神經(jīng)元的大數據，科研團隊很快“捕捉”到其中11種主要的神經(jīng)元投射類(lèi)型。

　　“其中，以往被認為可能是意識開(kāi)關(guān)的屏狀核與側皮層屬于同一轉錄組類(lèi)別Car3，但是實(shí)際上它們的投射目的地卻截然不同。屏狀核的神經(jīng)元平均投射區域可達20個(gè)，單個(gè)神經(jīng)元間的投射目的地差異巨大?！?/p>

　　更讓團隊欣喜的是，擁有同樣的轉錄組信息的神經(jīng)元，卻呈現了多樣的神經(jīng)元形態(tài)，這說(shuō)明神經(jīng)信號被傳送到不同的腦區域。

　　“神經(jīng)元形態(tài)的多樣性，對于多水平地了解神經(jīng)元功能、揭示神經(jīng)元形成的復雜神經(jīng)環(huán)路提供了直觀(guān)的切入點(diǎn)?！眲⒘杲忉?。