人類大腦是一個非常複雜的組織，要理解大腦的工作原理首先要了解其中的細胞種類和神經聯接規律，近日中國科學家聯合發佈系列成果給大腦繪製「高清地圖」。
7月10日深夜，中國科學家聯合發佈介觀腦圖譜系列成果，實現從嚙齒類到靈長類大腦的跨越。10項成果以專題論文集的形式集中發表在國際學術期刊《細胞》《神經元》《發育細胞》。
這些成果由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所，下稱「腦智卓越中心」）、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學研究院、中國科學技術大學、浙江大學醫學院附屬第一醫院、鄭州大學基礎醫學院、中國科學院遺傳與發育生物學研究所、上海腦科學與類腦研究中心等國內科研機構，聯合國內以及法國、瑞典、英國等多國科學家共同完成。
腦智卓越中心對第一財經介紹，本次腦圖譜大科學計劃系列成果由國內外30多家科研機構組成的超過300人的團隊共同完成，展現了國際團隊協同攻關的能力和成果，標誌着腦圖譜大科學計劃的時機已經成熟。此次十項系列成果，上海的科學家牽頭了其中五項科研成果。
大科學計劃重磅進展
在中國國際大科學計劃和大科學工程等國家戰略的指引下，科技部將「全腦介觀神經聯接圖譜」大科學計劃（下稱「腦圖譜大科學計劃」）作為重點培育的國際大科學計劃之一。
2020年9月在上海舉行的「全腦介觀神經聯接圖譜」大科學計劃國內前期工作啟動會上，中國工作組宣告成立，並提出了「力爭在2025年完成小鼠、2035年完成獼猴的全腦介觀神經聯接圖譜繪製」的目標。
自啟動培育以來，結合國內外領域發展態勢和當前技術水平發展狀況，腦圖譜大科學計劃的核心目標逐步聚焦在繪製非人靈長類動物和人腦全腦介觀神經聯接圖譜。在該戰略布局下，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、海南大學、華大生命科學研究院、上海腦科學與類腦研究中心等國內核心機構正在牽頭，與全球頂尖科研機構及科學家開展深度合作，共同籌建「國際靈長類介觀腦圖譜聯盟」，推進了腦圖譜大科學計劃在總體目標、國際分工和管理機制等方面形成國際共識，並將進一步整合技術、平台、人員、數據等資源，形成更大規模的跨機構科研合作團隊，加快推動腦圖譜研究進程。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心學術主任蒲慕明院士介紹，2021年中國啟動腦計劃，其中在幾十個項目中有兩個項目專門支持腦圖譜，雖然數量不多，但是整個進展非常好。一個是製作小鼠腦圖譜，另一個是製作獼猴的腦圖譜。
蒲慕明說，原本中國腦計劃的成立目標是一體兩翼，一體是指在基礎研究上進行大規模布局，兩翼是應用的兩翼，一邊是對腦疾病的診斷治療，基於我們對基礎腦科學的理解，研發早期診斷和早期干預腦疾病的方案。另一翼的應用方面，即腦機接口和類腦人工智能。
他10日接受第一財經採訪時說，目前他們正在推薦發起全腦介觀神經聯接圖譜國際大科學計劃，已經準備了五六年，這項工作在上海市科委的支持下進行，初期已經獲得科技部批准，並成立了國內工作組。國際工作組也將在今年9月與國內工作組合作，計劃成立國際介觀腦圖譜研究聯盟。該聯盟的目標是針對靈長類動物和人的腦圖譜研究，與美國已經進行的小鼠圖譜研究相比，這是下一個重要的圖譜研究領域。
「因此我們聯盟的目標是至少10到15年內完成靈長類腦圖譜，這是一項艱巨的工作，需要國際合作。目前已經有20多個國家，近百位科學家有意加入聯盟一起工作。靈長類的研究對我們理解人類大腦的功能以及人類腦疾病的機理研究，更有價值。」
10個系列成果有何意義
蒲慕明介紹，在一般醫院中，腦影像的分辨率非常低，無法得到非常明確的單細胞層面的連接情況。因此，目前神經科學界和腦科學界的一個重大題目是將細胞種類之間的網絡結構分析清楚，這稱為介觀圖譜。介觀的意思是分辨率需要達到微米層面，而一個細胞體的大小差不多10微米，因此我們只有達到微米層面才能夠了解細胞之間的連接是如何產生的。因此，腦圖譜研究內容包括細胞類型，細胞種類如何分佈，以及細胞之間連接網絡的結構，是他們在這個領域最主要的工作。
本次集中發佈的系列成果，覆蓋爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，整合了轉錄組、聯接組等多模態數據，進一步擴充了國際腦圖譜在跨物種比較和時空動態解析方面的內涵；與以往成果的點上突破不同，本次系列成果以「自主技術迭代」為牽引，推進建立了從「環路解析-進化解密-疾病解碼」的研究體系，有望推動實現從「結構到功能」的質的跨越，為深入解密大腦提供了全新視角與關鍵手段。
其中，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、上海腦科學與類腦研究中心劉真研究員和腦智中心孫怡迪研究員、臨港實驗室李昊研究員等合作建立了多組學增強子預測系統、獼猴在體篩選和多維驗證系統，鑒定得到能夠特異性標記獼猴皮層不同層興奮性神經元、三種抑制性神經元亞型及膠質細胞的增強子，並生成112種細胞特異性aav載體工具集，突破了傳統轉基因模型的局限性，標誌着靈長類腦科學進入了精準細胞類型研究新階段。
中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心劉真研究員在介紹成果時說，在我們的靈長類大腦里有成百上千種細胞，它們相互之間連接組成一個網絡，那麼這個網絡就是我們大腦執行功能的基礎。
當知道有這些細胞類型、知道它們的連接之後，如果想要它的功能就有一個非常關鍵的鴻溝——這些不同的細胞類型相互之間連接組成的網絡，所以就需要研究在網絡中、在不同行為認知過程中，大腦的哪些細胞是怎麼相互協調來發揮功能的。「所以需要有一個關鍵技術能夠把不同的細胞類型都能給標記出來。」
蒲慕明談到追蹤細胞的技術難度時說，追蹤一個細胞需要很多人共同工作，每個人至少需要幾個小時的時間進行追蹤一個神經細胞的投射譜。在熒光標記之後，細胞追蹤還不能完全自動化，需要做人做決策，因為連接有時可能會斷掉。如何做決定它們是否是同一根軸突，需要幾個人一起對同一個細胞的軸突走向得到共識，這需要有一套程序，所有需要花費大量功夫才能完成幾千個神經細胞的成像追蹤。
腦圖譜首先需要確定所有細胞種類，基本上5年內確定靈長類所有細胞的種類沒有問題。在確定各種細胞種類之後，你需要了解哪些種類的細胞與哪些種類的細胞產生連接，這就是追蹤神經連接。追蹤需要花費很大的時間。獼猴所有腦區的各種種類中大約有1000種細胞，靈長類有幾十個億的細胞。但是如果做每一種類型幾百個有代表性的細胞，就可以大致了解這種類型的投射模式。因此在上千個種類的神經細胞與各個腦區的連接能夠畫出有代表性的路線圖，相信獼猴神經連接圖譜在10年之內有希望完成。
