最完整的靈長類動物大腦圖譜問世

陳冰

大腦雖然僅僅只有三磅重量卻是如此的神秘而神奇。作為人類探索自然的最后兩處圣地之一，大腦已經(jīng)成為人類理解世界和探尋自身的終極疆域。

為什么理解大腦如此困難？

因為它是人類最復(fù)雜的器官之一，具有許多不同的結(jié)構(gòu)和功能。它擁有數(shù)以億計的神經(jīng)元，使得大腦形成了結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些神經(jīng)元通過神經(jīng)元之間的連接（突觸）讓人類得以感覺、思考、記憶，但它們究竟是怎么交流和傳遞信息的，人類還所知甚少。大腦采用并行處理的方式運行，即多個區(qū)域同時參與不同的功能處理，而且，隨著任務(wù)不同，神經(jīng)元的活動是動態(tài)變化的。再加上大腦受遺傳、發(fā)育、環(huán)境等多種因素影響，這些因素的復(fù)雜性進(jìn)一步加劇了理解大腦的困難程度。

腦智卓越中心副主任孫衍剛研究員指出，斑馬魚約有10萬個腦細(xì)胞，小鼠約有7000萬個腦細(xì)胞，與人類最接近的獼猴約有60億個神經(jīng)元，即便是在腦科學(xué)研究領(lǐng)域領(lǐng)先的美國，也只是完成了小鼠運動皮層細(xì)胞的分布圖譜，小鼠其他腦區(qū)尚未完全搞清楚。而要將數(shù)以億計的人類腦細(xì)胞及其工作原理解析清楚，需要全世界的科學(xué)家共同努力，才能完成這項浩大工程。

但科學(xué)的魅力往往在此——越是困難，越是迷人。

近日，我國科學(xué)家領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊，利用我國自主研發(fā)、國際領(lǐng)先的超高精度大視場空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)和高通量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，在國際上首次獲取目前為止最完整的獼猴大腦全皮層基因表達(dá)數(shù)據(jù)，成功繪制了三維單細(xì)胞空間分布圖譜，揭示了細(xì)胞類型的組成和靈長類腦區(qū)層級結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為進(jìn)一步研究各類神經(jīng)元之間的連接提供了分子細(xì)胞基礎(chǔ)。

7月12日晚，這項由中國科學(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）與華大生命科學(xué)研究院、臨港實驗室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、騰訊人工智能實驗室、深圳國家基因庫、瑞典皇家理工學(xué)院和瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院等國內(nèi)外17家科研單位106人合作完成的科研成果，發(fā)布在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。

據(jù)認(rèn)為，將4200萬個獼猴腦細(xì)胞繪制成一張前所未有的靈長類動物大腦圖譜，這一里程碑式的突破，堪比元素周期表、人類基因組序列誕生！

從獼猴入手，破譯大腦

靈長類大腦神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量巨大，它們相互連接形成了復(fù)雜而精細(xì)、支撐高級認(rèn)知和行為的特定神經(jīng)環(huán)路；這些細(xì)胞和環(huán)路的異常又導(dǎo)致了許多腦疾病。大腦由哪些細(xì)胞組成、這些細(xì)胞的空間分布有什么規(guī)律，是腦科學(xué)的基本問題。

與其他物種相比，靈長類動物具有更高的認(rèn)知和社會能力，同時具有更大的皮層和更多細(xì)胞類型。由于進(jìn)化上的相近，它們與人類具有約95%的遺傳物質(zhì)同源性和最接近的基因背景及表型特征，是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究最合適甚至是唯一的模型動物。獼猴，作為演化中離人最近的動物，引起了腦科學(xué)家的關(guān)注——它只有60億個神經(jīng)元，在體積與功能上與人腦接近，解析猴腦皮層中細(xì)胞的組成及其空間分布規(guī)律對于闡明靈長類大腦的組織規(guī)律至關(guān)重要。從獼猴腦研究入手破譯人類大腦的基本機制，成為全球腦科學(xué)研究的前沿?zé)狳c。

研究人員展示項目所消耗的芯片。

“現(xiàn)在的醫(yī)用腦CT精度可以達(dá)到毫米級，由此看到的是大腦的宏觀圖像，而我們要做的是在1微米至100微米的介觀尺度上，對腦細(xì)胞進(jìn)行分類、看清其特征基因的空間分布和表達(dá)模式?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明說，這是腦科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。

研究團(tuán)隊采用了一種新開發(fā)的大視野空間轉(zhuǎn)錄組方法，并結(jié)合任務(wù)需要，自主開發(fā)了一種制備獼猴大腦厘米尺度薄切片的方法，經(jīng)過兩年多的艱苦實驗和數(shù)據(jù)分析，最終獲得了目前最完整的靈長類大腦數(shù)據(jù)，并據(jù)此繪制出獼猴全皮層的三維單細(xì)胞空間分布圖譜。

中國科學(xué)院腦智卓越中心研究員李澄宇介紹，大腦圖譜包括細(xì)胞圖譜、連接圖譜和功能圖譜，解析大腦里的細(xì)胞類型及分布的是細(xì)胞圖譜；這些細(xì)胞連接而形成網(wǎng)絡(luò)，把網(wǎng)絡(luò)繪制出來的就是連接圖譜；剖析這些連接如何工作，則是功能圖譜。“研究大腦圖譜不僅可以幫助我們認(rèn)識大腦疾病的機理，還能解析大腦功能原理，啟發(fā)下一代類腦人工智能。”

通過細(xì)胞圖譜，他們發(fā)現(xiàn)，在不同腦區(qū)的大腦皮層中，各種腦細(xì)胞的分布有各自不同特點。更有趣的是，處于相同層級的腦區(qū)往往具有類似的細(xì)胞類型。此外，通過與人腦、鼠腦相關(guān)數(shù)據(jù)的跨物種比較，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，多種靈長類特有的興奮性神經(jīng)元細(xì)胞分布于大腦皮層第四層，而且高度表達(dá)著多個與人類疾病相關(guān)的基因。

“繪制出獼猴腦細(xì)胞的分類圖譜，只是邁出了第一步。”蒲慕明透露，團(tuán)隊將在三年內(nèi)發(fā)布獼猴腦細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖譜，展示重要腦區(qū)的腦細(xì)胞連接圖像，“此后還將研究繪制獼猴的腦功能圖譜，對腦細(xì)胞進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，觀察其電活動，從中尋找到規(guī)律，并實現(xiàn)操控”。

爭分奪秒的“時空芯片”實驗

可以毫不夸張地說，這是一個工程浩大的科學(xué)項目：從3只獼猴的左半腦中，獲取161張厚度10微米的切片，從中采樣超過4000萬個腦皮層細(xì)胞，數(shù)據(jù)量超過300T（1T相當(dāng)于1000G）。

其實早在2017年，腦智卓越中心就開始建立獼猴的腦圖譜研究課題，但因為技術(shù)限制一直無法研究大尺寸腦切片的細(xì)胞空間圖譜，無法完成獼猴腦細(xì)胞全腦分布圖譜的繪制?！斑^去的實驗室技術(shù)很難同時獲得整個猴腦單細(xì)胞分辨率下的空間轉(zhuǎn)錄組?！崩畛斡钫f，他們曾經(jīng)嘗試過傳統(tǒng)方法，但一次監(jiān)測的細(xì)胞數(shù)太少，效率太低，根本無望完成這個規(guī)模宏大的研究項目。

一籌莫展之際，李澄宇從合作者那里聽說華大生命科學(xué)研究院自主研發(fā)了一種超高精度大視場空間轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)Stereo-seq，可使單細(xì)胞分辨率下的空間轉(zhuǎn)錄組監(jiān)測效率提升好幾個數(shù)量級?！叭绻f傳統(tǒng)空間組技術(shù)好比單反相機，僅能看清局部小范圍細(xì)節(jié)，那么這種新技術(shù)就像超高精度的對地遙感衛(wèi)星，既能看到城市全貌，又能看清道路、房屋，甚至車牌等細(xì)節(jié)?！?/p>

同時，華大的另一項自主研發(fā)技術(shù)“高通量單細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)DNBelab C4 snRNA-seq”，可同時對細(xì)胞中所有基因進(jìn)行檢測，獲取大量基因轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

李澄宇立刻與蒲慕明院士一起，帶領(lǐng)科研骨干兩次造訪華大研究院。2021年除夕，兩個團(tuán)隊深談之后一拍即合，大年初二就開工準(zhǔn)備項目啟動，年初三確定項目目標(biāo)及路線圖。

整個實驗需要在盡可能短的時間內(nèi)用一只獼猴全腦樣品完成所有實驗，以保證樣品的質(zhì)量不會因為時間太長受到影響，為此，一塊小小的玻片，成為整個項目突破的關(guān)鍵，實驗人員需要讓僅有10微米厚的獼猴腦切片無褶皺、無氣泡地貼到檢測芯片上。

在經(jīng)歷了2輪壓力測試，所有人員都被用到極致之后，實驗方案最終確定——整腦預(yù)估要做130張左右的腦片，每天安排做24張腦片的芯片，分早上和下午兩輪（每輪12張），連續(xù)做五六天。每一張芯片都需要一個人進(jìn)行全程的操作，這意味著光芯片操作階段就需要12個人同時實驗，整個實驗中切片不能有失誤，不能損失樣品。

實驗開始后，12個操作芯片的人嚴(yán)格按照時間表依次進(jìn)行自己的實驗步驟，任何一個人的實驗拖延了時間，都會影響到其他人的操作。在下午的時間段，實驗人員要同時進(jìn)行2張芯片不同階段的操作，不能混淆。

中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的李超博士清晰記得，正式實驗時，是乍暖還寒的3月，幾十個人配合著做實驗，每天最后一道程序結(jié)束時已是凌晨一兩點。幾平方米的切片室，七八個人各司其職；顯微掃描室里，4臺顯微鏡下一張張圖像緩緩展開；樓道里，十幾個手拿芯片的實驗人員在各實驗室穿梭。為了趕時間，大家腳步匆匆，有時還要一路小跑，就連吃飯也只能掐著點匆匆地扒上幾口。如此高壓力下的實驗要連續(xù)五六天，為了不出錯，事先經(jīng)過了近一個月的培訓(xùn)、練習(xí)和壓力測試?！按蠹叶急е粋€信念，熟練一些，再熟練一些，每個操作都要心手相應(yīng)、游刃有余?！?h3>跨領(lǐng)域的強強聯(lián)手

3月29日，切片采集順利完成，為后續(xù)的切片圖層掃描、圖像讀取分析奠定了堅實的基礎(chǔ)。華大生命科學(xué)研究院研究員陳奧說，與以往基于探針的空間組技術(shù)一次只能檢測幾十到幾百個基因相比，現(xiàn)在的技術(shù)可以把全基因組2萬多個基因同時捕捉下來。如此一來，就能夠減少切片數(shù)。為此，團(tuán)隊依靠161張切片就獲得了世界首套獼猴全腦皮層的單細(xì)胞及空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。

接下來的兩年，數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊上場。如何從數(shù)據(jù)量驚人的切片圖像中識別出不同類型的腦細(xì)胞？如何為它們分類、找規(guī)律？騰訊AI Lab AI醫(yī)療首席科學(xué)家姚建華說，每張圖像都有幾十萬到上百萬個細(xì)胞，有些不是很清晰，有些互相重疊，細(xì)胞的基因表達(dá)有相似的，也有很大區(qū)別的。如何在圖像中把這些細(xì)胞準(zhǔn)確地標(biāo)識出來，對應(yīng)到測序空間上，并進(jìn)行細(xì)胞歸類，騰訊AI實驗室憑借多年積累的人工智能技術(shù)、圖像分析技術(shù)、腦基因分析技術(shù)，開發(fā)出了一套從細(xì)胞分割、圖像配準(zhǔn)到細(xì)胞類型注釋的AI算法，把細(xì)胞精準(zhǔn)地“讀取”出來并完成歸類。僅從第一只獼猴腦的切片中，系統(tǒng)就圈出了超過1億個細(xì)胞并最終將大腦皮質(zhì)細(xì)胞精準(zhǔn)分類為264種，從而完成獼猴腦圖譜的繪制。

在華大生命科學(xué)研究院院長徐訊看來，獼猴腦圖譜的這一步突破，與人類基因組草圖的誕生有著相似的重要性?！敖裉彀l(fā)布的成果，只是讓我們對獼猴大腦的框架有了初步認(rèn)識，卻是一個嶄新的起點?！蹦壳?，科研團(tuán)隊已利用所獲得數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了獼猴全腦皮層細(xì)胞數(shù)據(jù)庫，后續(xù)可對不同腦區(qū)開展更深入細(xì)致的研究，比如腦細(xì)胞隨時間變化的規(guī)律、大腦演化機制、腦相關(guān)疾病等，為后續(xù)腦科學(xué)研究源源不斷開創(chuàng)新機遇。海南大學(xué)校長駱清銘院士評價這項研究為進(jìn)一步理解腦結(jié)構(gòu)和功能提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，將有助于理解腦細(xì)胞的構(gòu)成以及腦疾病發(fā)生發(fā)展的原因，是具有里程碑意義的進(jìn)展。

“這么多頂尖團(tuán)隊的加入，給了我們底氣，敢于去做更難的事情?！逼涯矫髡f，比目前所獲成果更值得一提的是，項目在國內(nèi)開創(chuàng)了腦科學(xué)基礎(chǔ)研究“有組織的科研”的先河。

“過去，腦科學(xué)研究長期局限于單個或幾個課題組的單打獨斗，這次我們探索了一條多個高水平團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)的道路，這對我國在腦科學(xué)研究上推行大科學(xué)項目，具有重要意義。”蒲慕明透露，接下去團(tuán)隊將把切片范圍從左腦拓展到右腦，爭取在2035年完成獼猴全腦介觀圖譜，在2050年完成人類全腦介觀圖譜的研究。

研究團(tuán)隊還將繼續(xù)在腦疾病機制與靶點研發(fā)、腦細(xì)胞與腦結(jié)構(gòu)演化、腦功能的細(xì)胞分子機制等領(lǐng)域繼續(xù)攻關(guān)，推動我國在這些領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)生原創(chuàng)性、引領(lǐng)性成果。