【僅用100小時!高清獼猴大腦三維地圖繪就】腦是人體最複雜的器官,要深入了解大腦的運轉機制,就需要為大腦繪制一幅三維高清地圖。獼猴是研究人類智力和人腦疾病機理所必需的非人靈長類模式動物,但解析獼猴的大腦圖譜一直是腦科學領域的“深水區”。

在7月26日發表於《自然—生物技術》的一項研究http://t.cn/A6fdMhYR 中,中國科學技術大學(以下簡稱中科大)、中科院深圳先進技術研究院(以下簡稱深圳先進院)教授畢國強、劉北明團隊與國內外學者合作,通過自主研發的高通量三維熒光成像VISoR技術(以下簡稱VISoR技術)和靈長類腦圖譜繪制流程,實現了對獼猴大腦的微米級解析度三維解析。據悉,這是目前世界上最高精度的靈長類動物腦圖譜。

中科院院士、浙江大學教授段樹民表示,靈長類等大動物全腦的介觀成像是腦圖譜繪制所面臨的巨大挑戰,VISoR技術為解決這一難題提供了可行的手段。

△ 跳出鼠腦研究“舒適區”

腦聯接圖譜繪制是神經科學研究的前沿領域。該論文的第一作者、深圳先進院副研究員徐放告訴《中國科學報》,解析腦圖譜目前分為宏觀、介觀和微觀三個尺度。

宏觀尺度上,主要使用磁共振成像方法,雖然可以對活體大腦進行功能圖譜的測繪,但解析度較低,不能區分細胞水平的細節。而微觀尺度上,主要通過電子顯微鏡成像,雖然解析度高達納米級別,但成像速度很慢,且對樣品要求很高,目前只能實現線蟲、果蠅等很小動物的腦結構或脊椎動物大腦皮層的毫米級大小區域的成像。

介觀尺度采用的是介於兩者之間的光學成像方法,目前幾種前沿技術已廣汎應用於小鼠等齧齒類動物的全腦成像,通常需要幾天至十幾天才能完成一隻小鼠全腦的微米解析度三維成像。而獼猴大腦的體積是鼠腦的200倍以上,這意味著,用同樣的方法對獼猴大腦進行同精度成像需要幾年時間。

因此,突破成像速度瓶頸,是從鼠腦邁向獼猴大腦研究的關鍵環節。

“腦科學最想了解的是人類大腦,但如果我們一直研究小鼠,是否最後只能達到了解和模擬小鼠智力的水平呢?” 在中科大合肥微尺度物質科學國家研究中心做博士後研究時,徐放就時常想,如何才能跳出鼠腦研究的“舒適區”。

2015年,畢國強開始帶領團隊構思新的介觀圖譜成像技術,而在當時,成像解析度和速度似乎是一對不可調和的矛盾。

起初,研究團隊將較低分辨的大尺度光片照明成像作為可能的一個平衡點。但中科大高級工程師祝清源意識到,常規大尺度三維成像方法在拍不同視野的二維照片時,移動樣品加減速的時間比停下來相機曝光拍攝的時間要多得多。也就是說,大部分時間都浪費在運動中了。

因此,他提出利用光片照明成像的模式,在樣品勻速運動的過程中連續拍攝,從而大大提高時間利用率,獲得最高的三維成像速度。基於這一想法,祝清源和團隊研究生、現中科大及合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院副研究員王浩搭建了高速三維成像原型系統。

但接踵而來的問題是運動帶來的成像模糊。在嘗試了很多辦法後,2016年的寒假,畢國強從實驗室步行回家時突然想到,“如果利用掃描光束照明,把光束掃描與相機拍攝讀出進行嚴格同步,使樣品中的每一點只被照明一次,那麼就能幾乎完全避免樣品運動造成的成像模糊”。

在團隊的努力下,這一想法很快得到了驗證,並最終形成了“同步飛掃”VISoR技術。經過數年的優化迭代,該技術能達到解析細胞形態的微米和亞微米解析度,並在0.5~2小時內完成小鼠全腦成像,100小時內完成對獼猴全腦樣品1×1×2.5微米三維解析度的圖像采集,兩只獼猴大腦圖像原始數據量超過1PB。

△ 從切片到全腦

然而,獼猴腦除了比鼠腦體積更大以外,還有更豐富和致密的白質,而樣品透明是清晰成像的前提。“好比只有在清澈的水池里,才能看清水底的石頭。”徐放告訴記者。

為克服獼猴大腦溝回結構複雜、組織透明度差等困難,在進行了多次嘗試後,研究團隊最終選取先對離體大腦進行包埋切片的方式,使得溶液滲透效率僅依賴於切片厚度,而不受其大小的影響,並且發展了高折射率的組織透明化方法,讓腦片的灰質與白質不同部分、不同深度達到均勻透明。

同時,針對近PB級的猴腦成像大數據,團隊還開發了高效自動三維圖像拼接技術和漸進式半自動追蹤技術,實現了獼猴大腦的三維圖像重建和神經元軸突纖維的長距離追蹤。

“只有重構之後才能追蹤每一根神經纖維在全腦內的完整形態,知道它跟哪些腦區或神經元能夠形成聯系、傳遞訊息。”徐放說。

研究發現,獼猴大腦皮層下方白質中的許多軸突具有出乎意料的複雜軌跡,包括與皮層折曡相關聯的急轉彎。美國科學院院士、華盛頓大學教授David Van Essen認為,這一令人興奮的發現可能對理解大腦形態發生和“布線長度最小化”原則具有深遠意義。

“這只是初步的發現,我們相信後續還會發現靈長類大腦神經環路更精細和更深刻的組織規律,這對於理解大腦以及未來借鑒生物大腦結構來構建人工神經網路、實現更強大的類腦智能有深遠意義。”徐放說。

△ 跨學科合作

在徐放看來,此次成功解析獼猴大腦三維結構,得益於一支全面的研發團隊。

“腦圖譜研究需要跨學科、高度多樣化的團隊共同完成,樣品準備、樣品處理、光學成像、圖像處理、數據分析等環節,都需要有相應專業背景和特點的人才。”徐放說,“中科大和合肥微尺度物質科學國家研究中心給了我們自由開放、多元包容的科研環境,深圳先進院以及深圳市為我們提供了產業創新氛圍和落地應用的機會。”

他認為,腦圖譜解析既是腦科學基礎研究的重要戰略制高點,也將為新的腦疾病診療方法乃至未來類腦智能技術提供重要的線索和研發途徑。

“腦圖譜解析高度依賴於技術創新,需要不斷進行技術開發和迭代應用,尤其是中小型團隊的技術研發和推廣應用更需要政府和社會的支持,這些投入也會在相儅程度上推動整個高技術產業鏈的發展。”畢國強說。

在他看來,VISoR技術和靈長類腦圖譜繪制流程具有很強的兼容性和普適性。“該技術產生的超大規模數據與人工智能技術結合,將有望幫助理解人類大腦和身體器官的精細結構及其在疾病中的變化規律,加速醫療診斷和藥物研發,促進人類健康。”

段樹民表示:“期望這一技術在應用層面上進一步完善,能夠規模化推廣應用,為靈長類動物乃至人類大腦圖譜繪制和解析作出重要貢獻。”http://t.cn/A6fdMhYE

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