我国科学家绘制脑神经地图 探索脑中“深空”

吴天一  科技日报记者 王春

大脑这一充满神秘的器官，如同深空一般充满着未知，人类对其探索的步伐从未停下。通过科学家的不断努力，终于通过小鼠大脑的前额叶神经元，绘制出了一幅壮阔的神经联接地图。

3月31日，Nature Neuroscience期刊以封面文章的形式在线发表了题为《小鼠前额叶单神经元投射图谱》的研究论文，该研究由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、神经科学国家重点实验室、上海脑科学与类脑研究中心严军研究组、徐宁龙研究组与华中科技大学苏州脑空间信息研究院、武汉光电国家研究中心龚辉团队合作完成。

前额叶皮层在决策、工作记忆、注意力等高级认知功能中扮演重要角色，其结构和功能的异常会导致多种脑疾病。前额叶神经元投射范围很广，几乎覆盖大部分脑区，包括皮层、纹状体、丘脑、中脑和后脑等。对鼠脑前额叶的研究，不仅可以为深入研究高级认知功能的神经机制奠定了结构基础，也为日后全脑联接图谱的研究打下基础，乃至启发人工智能的发展。

脑中奥秘 神经元“高铁”

脑智卓越中心严军团队通过与徐宁龙团队、华中科技大学龚辉团队、脑智卓越中心全脑介观神经联接图谱平台等多个团队合作，该研究在国际介观图谱领域率先重构了小鼠前额叶皮层6357个单神经元全脑投射图谱，建立了国际上最大的小鼠单神经元全脑投射图谱数据库。该开放数据库的建立，预示着我国脑科学研究已经不再是单个研究者、实验室的工作，通过更广泛的参与，学科交叉合作研究脑科学的时代正在到来。

该研究首次发现小鼠前额叶皮层中存在64类神经元投射亚型，揭示了其空间分布规律，阐明了前额叶内部模块化的连接网络和等级结构、神经元转录组亚型与投射亚型的对应关系，从而揭示了前额叶皮层内部连接和外部投射的规律，并提出了前额叶皮层可能的工作模型。

大脑不同脑区之间的信息交流依赖于神经元的长程投射，拥有不同投射模式的神经元往往参与不同的脑功能。前额叶中的神经元，如同人脑中的高铁路线一般，从某一点发车，经过共同的主干线，但终点却各不相同。而这些神经元的路线，从某种意义上说，就是大脑的神经“地图”。

严军研究团队利用自主开发的聚类分析方法，定量刻画比较神经元轴突形态的相似性，获得了64个投射亚型，并绘制出这些神经元亚型在前额叶亚区的分布和皮层深浅层的分布。这些不同的投射亚型就类似于高铁的不同路线图。

同时神经元也像高铁一样负责全脑长程联接，因此，研究神经元的投射模式及其基本规律对于理解大脑的组织结构和信息处理机制具有重要的意义。

创新技术 让研究突破以往限制

以往，研究人员利用群体神经元示踪技术，对小鼠皮层神经元的全脑投射进行了广泛研究，发现皮层投射神经元可以分为端脑内侧束神经元、锥体束神经元和皮层丘脑神经元。然而，近年研究表明，在这些传统的神经元类型中还存在着更复杂、功能分工更精细的神经元亚型。系统地绘制大脑单神经元水平的投射图谱，有助于发现新的神经元亚型和脑网络的联接规则，从而更系统全面地揭示大脑的工作原理。

鼠脑有着一亿个以上的神经元，将它们的轴突排列起来，可以从中国的最西边连接至最东边。而绘制小鼠等哺乳动物大脑中单神经元水平的全脑投射图谱，需要对单神经元的轴突形态逐个进行三维重构。

整个过程，是国际上公认的难题。为解决这一问题，严军研究组的苟凌峰博士通过数年的努力攻关，自主开发了以Fast Neurite Tracer (FNT)为代表的TB级光学成像大数据神经元追踪及分析软件，为研究模式动物各脑区的神经联接图谱建立了一套国际领先的研究方法和流程。该研究成功构建了小鼠前额叶单神经元投射图谱，发现了前额叶存在64个神经元投射亚型和前额叶内部连接存在模块和等级结构，为理解前额叶的工作机制提供了线索。其中，单个转录组亚型对应多个投射亚型这一规律，进一步突显出了单神经元投射图谱对于神经元分类的重要性。

6357个前额叶单神经元在前额叶亚区的分布和全脑轴突形态。采访对象供图

FNT软件系统的研发和调试过程得到了上海济光职业技术学院咸菁、乔彦青团队和众多学生志愿者的帮助。华中科技大学龚辉团队承担了全脑成像数据的采集。脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士给予了宝贵建议。该研究获得上海市、科技部、中科院、基金委的资助。在各方努力之下，重构了小鼠前额叶皮层中超过6000个单神经元分辨率的轴突数据。

该数据不仅揭示了前额叶神经元令人惊叹的多样性，而且通过对它们的分析，为神经环路潜在的组织原则提供了基础，也为神经科学界提供了不可估量的宝贵资源。

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