7月26日，中國科學院深圳理工大學（籌）/中科院深圳先進技術研究院腦認知與腦疾病研究所教授畢國強、劉北明，與副研究員徐放帶領深圳理工大學/深圳先進院、中國科學技術大學和合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院團隊，通過自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術和靈長類腦圖譜繪制SMART流程，并與中科院昆明動物研究所胡新天團隊、深圳先進院徐富強團隊、美國麻省理工學院、美國南加利福尼亞大學、美國加利福尼亞大學洛杉磯分等合作，實現(xiàn)了對獼猴大腦的微米級分辨率三維解析。相關研究成果以High-throughput mapping of a whole rhesus monkey brain at micrometer resolution為題，發(fā)表在《自然-生物技術》上。

　　大腦功能是由其近千億個神經(jīng)細胞，以及細胞之間纖細而復雜的連接來實現(xiàn)的。要深入理解大腦的運轉機制，需要將這些精密連接結構解析出來，如同為大腦繪制一幅三維高清地圖。腦圖譜解析是神經(jīng)科學前沿研究領域，而對靈長類動物的腦圖譜解析也是“中國腦計劃”的重點研究方向之一。

　　目前，腦圖譜研究集中于小鼠，國際通用的成像技術對其進行微米分辨率全腦成像通常需要數(shù)天時間，而獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時間內完成全腦成像是一項挑戰(zhàn)。為應對這一挑戰(zhàn)，研究團隊此前在中科院戰(zhàn)略性先導科技專項“腦功能聯(lián)接圖譜”和科研儀器研制項目，以及國家自然科學基金重大研究計劃“情感與記憶的神經(jīng)環(huán)路基礎”的支持下，經(jīng)過數(shù)年攻關，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術（相關成果于2019年發(fā)表在《國家科學評論》上）。該技術通過斜截面掃描照明與同步成像實現(xiàn)了在樣品連續(xù)運動時進行無模糊的圖像采集，消除了傳統(tǒng)大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來的時間損失，數(shù)據(jù)采集速度比當前通用于小鼠腦圖譜繪制的幾種三維光學成像技術提升數(shù)十倍，使得猴腦圖譜解析成為可能。

　　除了成像通量的挑戰(zhàn)，對獼猴腦進行高分辨全腦成像還面臨溝回結構復雜、組織透明度差等困難?？蒲袌F隊采取對離體大腦進行包埋切片的方式，使溶液滲透效率僅依賴于切片厚度，而不受其大小的影響，并發(fā)展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對腦片的灰質與白質不同部分、不同深度達到均勻透明。然后，研究通過改進的VISoR2系統(tǒng)，最終對獼猴全腦樣品在100小時內完成1×1×2.5微米三維分辨率的圖像采集，項目中兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過了1?PB。由于數(shù)據(jù)體積龐大，團隊開發(fā)了自動的三維圖像拼接技術和漸進式的半自動追蹤技術，實現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建和神經(jīng)元軸突纖維的長距離追蹤，并在此基礎上發(fā)現(xiàn)了未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質溝回處轉折延伸的多種路徑形態(tài)。

　　VISoR技術作為當前世界最快的大尺度三維組織成像方法之一，可以對各種模型動物大腦進行高通量、高精度的定量解析，并可擴展至其他組織器官，在大規(guī)模藥物篩選、快速病理診斷，以及更大型生物樣品成像等領域均有廣闊的應用前景。這項技術產生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術的結合，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(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)，促進人類健康。

　　研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家自然科學基金、廣東省重點領域研發(fā)計劃、深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎設施、深港腦科學創(chuàng)新研究院等的支持。

　　論文鏈接