給“大腦森林”繪制圖譜

陳冰

6357 個(gè)前額葉神經(jīng)元的全腦軸突投射。來(lái)源：中科院腦智卓越中心

我們經(jīng)常在思考——人的記憶存儲(chǔ)在哪兒？我們是如何看到東西的？是誰(shuí)在操控我們的情緒？影響智力的因素有哪些？愛(ài)情生長(zhǎng)在何方，是在腦海還是在心房？具有心智的人工智能究竟離我們還有多遠(yuǎn)？

人類(lèi)依靠心智去認(rèn)識(shí)世界，創(chuàng)造文明。奧妙神秘的心智究竟從何而來(lái)？為什么人腦這個(gè)小小的“三磅宇宙”能產(chǎn)生如此不可思議的奇跡？2500年來(lái)，這一謎團(tuán)一直令無(wú)數(shù)人好奇不已。

將大腦比作“三磅宇宙”，是因?yàn)槲覀兊拇竽X重約1.5千克（3磅重），它和宇宙一樣具有高度的復(fù)雜性，堪稱(chēng)世界上最為復(fù)雜的系統(tǒng)。

神經(jīng)元是大腦最基本的組成單元，人類(lèi)大腦中約有一千億個(gè)神經(jīng)元——這個(gè)數(shù)字剛好與整個(gè)宇宙人類(lèi)已經(jīng)觀(guān)測(cè)到的星系數(shù)量相當(dāng)。神經(jīng)元間平均形成約1000個(gè)聯(lián)接節(jié)點(diǎn)，彼此相互聯(lián)系，交互織出復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它們類(lèi)型豐富多樣，其軸突就像森林中的藤蔓一般，盤(pán)根錯(cuò)節(jié)、縱橫交錯(cuò)。

大腦依靠這些數(shù)量巨大、類(lèi)型復(fù)雜的神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展工作。但是這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能是什么樣的？在每一次的意識(shí)于行為產(chǎn)生之時(shí)，神經(jīng)元在“暗地里”進(jìn)行了怎樣的操作？

如果想一探內(nèi)里乾坤，我們首先要擁有一張“腦內(nèi)地圖”，繪制高分辨率大腦聯(lián)接圖譜，這是生命科學(xué)家們致力攻克的最后“疆域”。

就在世界各國(guó)都致力于解開(kāi)大腦奧秘之時(shí)，中國(guó)科學(xué)家通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，在國(guó)際介觀(guān)腦聯(lián)接圖譜領(lǐng)域，率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層的6357個(gè)單神經(jīng)元全腦投射圖譜，建立了國(guó)際上最大的小鼠單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)，并獲得了一系列重要發(fā)現(xiàn)。

2022年4月，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然-神經(jīng)科學(xué)》期刊以封面文章的形式在線(xiàn)發(fā)表了題為《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》的研究論文。論文審稿人稱(chēng)贊“這是一項(xiàng)工程和技術(shù)上的奇跡?！?/p>

這是一篇來(lái)之不易的論文。

它由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、神經(jīng)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心嚴(yán)軍研究組、徐寧龍研究組與華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、武漢光電國(guó)家研究中心龔輝團(tuán)隊(duì)合作完成。這樣的組合，在以往的科研中并不多見(jiàn)，關(guān)鍵是幾乎每個(gè)課題組都在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了長(zhǎng)期的積累?？芍^真正的“最強(qiáng)天團(tuán)”。

今天，就讓我們來(lái)了解一下這張“地圖”到底是怎么繪制的。

要繪制出大腦的“交通地圖”，可以從不同維度去繪制。

一種是在醫(yī)院里也能看的腦部磁共振成像，呈現(xiàn)出精度為毫米級(jí)別的圖片，是宏觀(guān)尺度的圖譜，相當(dāng)于從衛(wèi)星看地面，只能看清高鐵和高速公路，分辨率不夠高。另一種是用電子顯微鏡看神經(jīng)元，能實(shí)現(xiàn)看清細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微觀(guān)尺度圖譜，盡管精度達(dá)到了納米級(jí)別，但觀(guān)察視野相當(dāng)于站在高樓上看路面，難以窺見(jiàn)全貌。介觀(guān)則介于宏觀(guān)與微觀(guān)之間，分辨率為微米級(jí)，就如同從一架偵察飛機(jī)上看地面，恰好能描繪出精準(zhǔn)的交通圖。

說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難。人類(lèi)目前已經(jīng)繪制完成的腦聯(lián)接圖譜模式生物只有線(xiàn)蟲(chóng)一種。而線(xiàn)蟲(chóng)僅有300個(gè)神經(jīng)元，軸突總長(zhǎng)度約為50厘米，相當(dāng)于兩個(gè)籃球的直徑。同為模式生物的果蠅，就擁有10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，軸突總長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)500米，比肩東方明珠塔。最為常見(jiàn)的模式生物小鼠的神經(jīng)元更是高達(dá)1億個(gè)，軸突總長(zhǎng)度約5000公里，相當(dāng)于從中國(guó)最東部到最西部的距離。

“這就像茂密的森林，看起來(lái)枝葉交錯(cuò)，黑壓壓一片，根本看不清一棵棵樹(shù)的樣子，也就無(wú)從著手了解森林的組成和結(jié)構(gòu)?！眹?yán)軍解釋?zhuān)茖W(xué)家就要想辦法，把大腦“叢林”中的樹(shù)木一棵棵點(diǎn)亮，從而梳理清楚它們之間的架構(gòu)，進(jìn)而了解它們是如何工作的。

嚴(yán)軍說(shuō)，要繪制單個(gè)神經(jīng)元投射譜，需要突破三大技術(shù)瓶頸：神經(jīng)元的稀疏標(biāo)記、全腦連續(xù)光學(xué)成像、大規(guī)模神經(jīng)元追蹤與計(jì)算分析。這相當(dāng)于從成千上萬(wàn)條道路中，給一條特定的道路畫(huà)上標(biāo)記，并一段一段精準(zhǔn)確定路線(xiàn)軌跡，最終繪制出道路的全貌。

單神經(jīng)元三維重構(gòu)此前一直被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為復(fù)雜而耗時(shí)的難題，“此前最大規(guī)模的單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜研究也只繪制了不到2000個(gè)小鼠神經(jīng)元”。

中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)先后突破了三大技術(shù)瓶頸。

徐寧龍研究組通過(guò)讓少數(shù)神經(jīng)元細(xì)胞表達(dá)專(zhuān)用熒光蛋白，點(diǎn)亮了神經(jīng)元“樹(shù)林”中的“那一棵樹(shù)”，實(shí)現(xiàn)了稀疏高亮標(biāo)記。通常而言，稀疏與高亮是一對(duì)矛盾體。科學(xué)家們通過(guò)組合不同類(lèi)型的病毒載體工具，并且調(diào)節(jié)稀釋比例，讓少數(shù)細(xì)胞獲得表達(dá)熒光蛋白需要的“開(kāi)關(guān)”，而轉(zhuǎn)染的熒光蛋白序列本身并不會(huì)被稀釋?zhuān)瑥亩擅畹刈屔贁?shù)特定的神經(jīng)元變得足夠亮，這樣就可以利用光學(xué)顯微鏡看到整個(gè)神經(jīng)元的精細(xì)形態(tài)，包括樹(shù)突、軸突以及末梢的突起。

龔輝團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的全腦連續(xù)顯微光學(xué)成像技術(shù)fMOST，可以看清楚直徑只有頭發(fā)絲二百分之一大小的纖維，達(dá)到亞微米分辨率水平，并能連續(xù)1000小時(shí)精準(zhǔn)成像。

面對(duì)成像產(chǎn)生的太字節(jié)數(shù)據(jù)，嚴(yán)軍研究組從2015年開(kāi)始努力攻關(guān)，自主開(kāi)發(fā)了以Fast Neurite Tracer （FNT）為代表的神經(jīng)元追蹤及分析軟件，為研究模式動(dòng)物各腦區(qū)的神經(jīng)聯(lián)接圖譜建立了一套國(guó)際領(lǐng)先的研究方法和流程?！皬淖畛醯?人到數(shù)百名大學(xué)生志愿者，參與了軟件的測(cè)試和分析流程建立?！?/p>

3項(xiàng)技術(shù)突破、3支科研團(tuán)隊(duì)合作，使得中國(guó)科學(xué)家有了挑戰(zhàn)小鼠介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜的底氣和勇氣。

這次研究，科學(xué)家們共獲得了161個(gè)小鼠的全腦成像數(shù)據(jù)，并從中成功重構(gòu)出了6357個(gè)前額葉單神經(jīng)元軸突形態(tài)?！爸皵?shù)年，全世界一共重建了3000多個(gè)單神經(jīng)元軸突分辨率的數(shù)據(jù)，我們這次重構(gòu)了6000多個(gè)。”龔輝說(shuō)，這是世界上最大的小鼠單細(xì)胞投射譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

研究團(tuán)隊(duì)首先選擇了小鼠的前額葉皮層進(jìn)行重構(gòu)，因?yàn)樗跊Q策、工作記憶、注意力等高級(jí)認(rèn)知功能中扮演重要角色，其結(jié)構(gòu)和功能的異常會(huì)導(dǎo)致多種腦疾病。前額葉的神經(jīng)元投射范圍很廣，幾乎覆蓋大部分腦區(qū)，包括皮層、紋狀體、丘腦、中腦和后腦等。

以往，研究人員對(duì)小鼠皮層神經(jīng)元的全腦投射進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)皮層投射神經(jīng)元可以分為端腦內(nèi)側(cè)束神經(jīng)元、錐體束神經(jīng)元和皮層丘腦神經(jīng)元。然而，近年研究表明，在這些傳統(tǒng)的神經(jīng)元類(lèi)型中還存在著更復(fù)雜、功能分工更精細(xì)的神經(jīng)元亞型。系統(tǒng)地繪制大腦單神經(jīng)元水平的投射圖譜，有助于發(fā)現(xiàn)新的神經(jīng)元亞型和腦網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接規(guī)則，從而更系統(tǒng)全面地揭示大腦的工作原理。

嚴(yán)軍表示，這6000多個(gè)單神經(jīng)元基本覆蓋了前額葉皮層的各項(xiàng)功能。其中，事關(guān)神經(jīng)信號(hào)輸出的長(zhǎng)程投射神經(jīng)元軸突有著有趣的“布線(xiàn)”規(guī)則。嚴(yán)軍說(shuō)，它們“布線(xiàn)”精巧而嚴(yán)謹(jǐn)，有的從主干分離后，就奔赴不同目標(biāo)，有的卻會(huì)連續(xù)接力，直到很遠(yuǎn)的地方?！坝械妮S突甚至?xí)那邦~葉皮層投射到脊髓的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，整整長(zhǎng)達(dá)一米！”

“我們發(fā)現(xiàn)不同亞型神經(jīng)元的軸突可以共享一個(gè)主干，但分支卻去了不同地方。主干好比從北京到上海的高鐵，而分支是上海的各條地鐵。我們出差從北京到上海，都要乘坐高鐵;到了上海之后，就乘坐不同的地鐵去不同地方辦事了?！?/p>

前額葉皮層被認(rèn)為是大腦功能的“司令部”，此次獲得的高空間分辨率投射圖譜讓科研人員能發(fā)現(xiàn)前額葉皮層內(nèi)部不同的亞區(qū)也有等級(jí)結(jié)構(gòu)區(qū)分?！熬拖袷撬玖畈坷镆灿兴玖?、參謀和通信員?！眹?yán)軍說(shuō)，“這使得我們能更深入地解析前額葉皮層內(nèi)部的信息交流和處理?！?/p>

過(guò)去，人們只知道神經(jīng)元大致有3種類(lèi)型，這次研究，讓科學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)，小鼠前額葉皮層中存在64類(lèi)神經(jīng)元投射亞型。中國(guó)科學(xué)家將這一數(shù)字從3躍升到64，為探尋前額葉腦區(qū)到底是怎么工作的提供了重要線(xiàn)索。

更重要的則是，這一研究對(duì)于腦疾病有著重大意義。

腦前額葉負(fù)責(zé)的成癮、工作記憶等功能，讓科學(xué)家們認(rèn)識(shí)到在不同的疾病中可能有更細(xì)致的通路參與到調(diào)控之中?！耙岳夏臧V呆疾病研究為例，一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是患老年癡呆疾病后，前額葉還有其他腦區(qū)神經(jīng)元的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，尤其是樹(shù)突的復(fù)雜性會(huì)減少。”龔輝說(shuō)，這項(xiàng)工作為腦疾病研究提供了一個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”的數(shù)據(jù)庫(kù)，相當(dāng)于提供了一個(gè)“導(dǎo)航地圖”，科學(xué)家們可以利用之前獲得數(shù)據(jù)與這個(gè)“金標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行比對(duì)，從而發(fā)現(xiàn)更多致病的原因。

從2000年華中科技大學(xué)開(kāi)始，龔輝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)的全腦顯微光學(xué)切片斷層成像工作已經(jīng)連續(xù)進(jìn)行了20多年。目前，龔輝團(tuán)隊(duì)研發(fā)的最新技術(shù)是可以對(duì)獼猴腦同樣進(jìn)行單神經(jīng)元的全腦形態(tài)的獲取。龔輝表示，希望能夠把這些新的技術(shù)應(yīng)用于推動(dòng)國(guó)家的科技創(chuàng)新，為中國(guó)的全腦器官神經(jīng)聯(lián)接圖譜研究、國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃做出貢獻(xiàn)。

審稿人也指出，“這項(xiàng)研究揭示了前額葉神經(jīng)元令人驚嘆的多樣性”“為神經(jīng)科學(xué)界提供了不可估量的寶貴資源”。

“腦聯(lián)接圖譜是理解大腦功能的基礎(chǔ)，我個(gè)人認(rèn)為此次研究成果對(duì)人工智能的啟發(fā)意義很大?！眹?yán)軍表示。

在計(jì)算神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，一直有一個(gè)模型就是recurrent network（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。但是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是非常抽象的，并且缺乏真實(shí)腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此番科學(xué)家們的工作實(shí)際上第一次展現(xiàn)了小鼠前額葉皮層中存在64類(lèi)神經(jīng)元投射亞型，并且前額葉皮層內(nèi)部聯(lián)接存在模塊化結(jié)構(gòu)，為人工智能設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了很多的啟示。

徐寧龍認(rèn)為：“此次，我們的研究揭示的前額葉這種廣泛的、自上而下的反饋結(jié)構(gòu)，在人工智能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中基本上是缺失的。目前，大部分的人工智能深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)都是前饋型的，而且主要是逐級(jí)調(diào)節(jié)聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，缺乏長(zhǎng)距離跨級(jí)反饋架構(gòu)。這種跨級(jí)反饋對(duì)于實(shí)現(xiàn)靈活抉擇和功能泛化是十分重要的，而現(xiàn)有的人工智能系統(tǒng)往往缺乏靈活泛化能力。因此科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的前額葉全腦聯(lián)接圖譜，對(duì)于人工智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展可能提供了重要的設(shè)計(jì)線(xiàn)索。

“目前人工智能還沒(méi)有這種處理模式，過(guò)去從未曾想到過(guò)?！毙鞂廄堈J(rèn)為，“這或許可以為很多算法設(shè)計(jì)，打開(kāi)一扇新的大門(mén)。

中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心副主任孫衍剛透露，小鼠前額葉皮層神經(jīng)聯(lián)接圖譜的完成，只是“全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃的第一步。該計(jì)劃將解析小鼠、斑馬魚(yú)、獼猴3種模式動(dòng)物的全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜。其中，小鼠又分了3期目標(biāo)：首先是前額葉，其次是海馬體，最后是下丘腦，最終形成完整的小鼠全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜。

“我們對(duì)大腦的理解還處在非常初級(jí)的階段?！敝锌圃涸菏?、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明指出，有了全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)圖譜，還需要對(duì)應(yīng)的神經(jīng)功能圖譜。這樣就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)圖譜，對(duì)特定的神經(jīng)元進(jìn)行特異性調(diào)控，從而深度探索大腦功能。

神經(jīng)元是大腦最基本的組成單元，類(lèi)型豐富多樣，其軸突就像森林中藤蔓一樣，盤(pán)根錯(cuò)節(jié)，縱橫交錯(cuò)。

神經(jīng)元通過(guò)軸突將信號(hào)長(zhǎng)程投射到不同腦區(qū)，就像高鐵系統(tǒng)，對(duì)大腦中的信息交流起著至關(guān)重要的作用。擁有不同投射模式的神經(jīng)元往往參與不同的腦功能。

繪制高分辨率大腦聯(lián)接圖譜，有助于闡明大腦工作原理，是世界各國(guó)打造全球腦科學(xué)中心的重要基礎(chǔ)。

前額葉皮層在決策、工作記憶、價(jià)值判斷等高級(jí)認(rèn)知功能中扮演重要角色，其結(jié)構(gòu)和功能的異常會(huì)導(dǎo)致多種腦疾病。

為了繪制小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元水平的全腦投射圖譜，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心與華中科技大學(xué)合作，在國(guó)際上率先重構(gòu)了小鼠前額葉皮層6357個(gè)單神經(jīng)元的軸突形態(tài)，成功建立了國(guó)際上最大的小鼠全腦介觀(guān)神經(jīng)聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

在太字節(jié)（ TB ）量級(jí)的全腦光學(xué)成像大數(shù)據(jù)中，對(duì)單神經(jīng)元形態(tài)逐個(gè)進(jìn)行三維重構(gòu)，整個(gè)過(guò)程工作量大、極為復(fù)雜和耗時(shí)，是國(guó)際上公的難題。為解決這一難題，中科院團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)了一套國(guó)際領(lǐng)先的神經(jīng)元形態(tài)重構(gòu)軟件 FNT （ Fast Neurite Tracer ）。

團(tuán)隊(duì)利用自主開(kāi)發(fā)的聚類(lèi)分析方法，定量刻畫(huà)神經(jīng)元軸突形態(tài)的相似性，首次發(fā)現(xiàn)小鼠前額葉皮層中存在64類(lèi)神經(jīng)元投射亞型。

團(tuán)隊(duì)繪制出64個(gè)神經(jīng)元投射亞型在前額葉亞區(qū)和皮層深淺層的空間分布規(guī)律。

研究發(fā)現(xiàn)前額葉內(nèi)部連接網(wǎng)絡(luò)具有模塊化的性質(zhì)和等級(jí)結(jié)構(gòu)。

通過(guò)與前額葉轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，并利用逆向示蹤和單分子熒光原位雜交技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)單個(gè)轉(zhuǎn)錄組亞型對(duì)應(yīng)多個(gè)投射亞型這一重要規(guī)律。

2022年4月，該成果以封面文章形式發(fā)表于《 Nature Neuroscience 》。

該研究為深入解析腦功能、腦疾病提供了精準(zhǔn)的導(dǎo)航地圖，為新型類(lèi)腦智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要參考。

制作單位：中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、上海市科普基金會(huì)、上海市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、“學(xué)習(xí)強(qiáng)國(guó)”上海學(xué)習(xí)平臺(tái)