多尺度全腦內神經網絡圖譜

人腦擁有多達上千億的神經元，這些不斷發(fā)出電信號的神經元組成密密麻麻的網絡，至今我們對它知之甚少，因而人腦也被稱為宇宙中最復雜的物體。

但是，一群中國科學家卻能給大腦“拍彩照”，讓大腦空間呈現出一個繽紛的多彩世界;并能精準定位，給每個神經元上都標記門牌號;還可以把各種形狀的神經元單拎出來，清楚地看到每根神經元的走向;最牛的是，他們率先以工業(yè)化方式大規(guī)模、標準化、高分辨繪制腦圖譜數據……

近日，《自然》雜志的一篇《中國啟動腦成像工廠》報道，使得一家剛剛組建、位于蘇州的腦科學研究所成為全球科學界關注的焦點。美國西雅圖艾倫腦研究所的科學家曾紅葵(音)表示，“這種工廠化的研究規(guī)模將極大地加速腦科學的發(fā)展”。

大腦內部的神經元究竟是什么樣子的?我們如何才能看到這神秘的腦神經網絡?科技日報記者來到江蘇省產業(yè)技術研究院腦空間信息技術研究所，讓專家為讀者詳解如何讓人“腦洞大開”。

“腦洞”至今仍是認知“黑洞”

“作為人類，我們能夠確認數光年外的星系，我們能研究比原子還小的粒子，但我們仍無法揭示兩耳間三磅重的物質(指大腦)的奧秘。”美國前總統(tǒng)奧巴馬曾這樣無奈地說道。

因此，大腦也被戲稱為“三磅的宇宙”，就如同宇宙中神秘的黑洞，難以琢磨又令人神往。

“對于人腦這一被描述為宇宙中最復雜的物體我們還知之甚少。”腦空間信息技術研究所所長駱清銘說。人類大腦有1000億個神經細胞，彼此之間由大量的神經纖維連接成極為復雜的神經網絡。目前，腦科學最有待突破的就是理解人腦高級認知功能的神經網絡。

“現在的磁共振成像技術，看到的是腦區(qū)之間很粗的纖維束，而中間的成千上萬的神經元網絡是看不到的，就好比一根電纜，看不到中間一根根的銅絲，而我們現在做到的是每一根銅絲都要看到。”腦空間信息技術研究所副所長李安安介紹說。

神經科學家認為，這些神經元有成千上萬種不同的細胞類型，在細胞形狀、大小和基因表達方面有很大的差異?？茖W家希望繪制出神經元結構以及它們如何互相作用，這將有助于揭示它們的功能。

為此，華中科技大學副校長駱清銘教授團隊組建了腦空間信息技術研究所，并努力開發(fā)高分辨、大探測范圍和高通量的三維光學顯微成像技術，他希望能夠在哺乳動物全腦范圍，以真實尺度構建出包括神經元和血管等腦內的多種復雜結構的完整精細形態(tài)和連接關系。

顯微成像為大腦拍張“彩照”

“讓機器變成彩色照相機，讓大腦圖像從黑白變成彩色”，腦空間信息技術研究所副所長李鵬程用形象的比喻解釋道，這項名為顯微光學切片斷層成像(MOST)的技術來自駱清銘團隊的自主創(chuàng)新。

“它能夠全自動地獲取熒光標記、高爾基和尼氏染色的嚙齒類全腦神經網絡和血管數據集”，李鵬程說，“正因為有了MOST技術，我們才在國際上首次實現多尺度全腦神經環(huán)路的精準自動成像，能夠對同一哺乳動物腦以體素1微米分辨率，全自動地采集包括軸突、樹突、胞體、環(huán)路和全腦等多尺度信息，并同步獲取細胞構筑解剖坐標信息，這是目前國際上唯一能實現連續(xù)、精細、準確地獲取哺乳動物全腦內神經網絡圖譜的技術。”

李鵬程指著機器上的彩色圖譜告訴我們，“過去看到這個神經元，想知道它在大腦的什么地方，切開后很難判斷?，F在我們讓每個神經元都帶著定位、帶著門牌號，可以把特定類型的神經元單獨識別出來”。

該技術解決了腦科學研究缺乏高分辨率可視化工具的重大難題，對于腦工作機理和腦發(fā)育的探究、對疾病和藥物研發(fā)將發(fā)揮重要作用，對類腦智能將提供重要的數據。

“我們發(fā)現每一根神經元的去向都不一樣，即使是兩個相同形態(tài)的神經元，彼此之間間隔也只有幾微米，但是連接的腦區(qū)可能是完全不一樣的，這就是為什么我們要用這么精細的成像技術來探測大腦”，李安安解釋說。

李安安介紹說：“過去我們只能看到神經元大概跟哪些腦區(qū)連接，我們現在的這項技術可以看到每個神經元的纖維分成幾個分叉、最終又投射到哪里去了，這些在過去是根本看不到的。這項技術叫做多尺度全腦神經環(huán)路自動成像新技術，可以使分辨率精細到微米以下的級別，而傳統(tǒng)的國外技術只精細到幾微米以上，所以我們能看到更加完整的神經元圖像信息。”

腦成像工廠引領腦科學研究

最近幾年，大國競相掀起的“腦科學熱”，或成為另一個“人類基因組計劃”。專家認為，這不僅關乎人類的健康和福祉，也關乎未來的生產力，有望深刻改變社會。

2013年初，歐盟率先宣布，“人腦工程”為歐盟未來10年的“新興旗艦技術項目”，獲得10億歐元科研經費。當年4月，美國政府公布“腦計劃”，在未來12年間預計總共將投入45億美元。日本也緊隨歐美，在2014年正式發(fā)起“大腦研究計劃”。

中國在積極醞釀后迅速入場。我國的腦科學研究被列為“事關我國未來發(fā)展的重大科技項目”之一，“中國腦計劃”將從認識腦、保護腦和模擬腦三個方向全面啟動。

2016年8月，駱清銘成為江蘇省產業(yè)技術研究院項目經理;10月，腦空間信息技術研究所落戶蘇州并與省市簽訂共建協(xié)議;12月，江蘇省產研院第一筆的1000萬運行經費就撥付到位;今年6月，第一個光學成像平臺實驗室裝修竣工……

作為腦科學研究的基礎，科學家希望繪制出腦神經結構以及它們如何互相作用。現有的實驗室完成這樣的繪制過程，通常需要數月甚至數年時間的努力。

“我們擁有50套自動化的成像系統(tǒng)，可以快速切片老鼠大腦，抓取每一片切片的高精度照片，并將這些照片重新組合為3D圖像，能夠在兩周內完成小鼠全腦高分辨率成像。”李安安介紹說，“通過高分辨的顯微成像，研究人員可以觀察大腦內千億級的神經細胞是如何相互聯(lián)系的。”

這項目前國際上唯一能夠實現連續(xù)、精細、高速地獲取哺乳動物全腦內神經網絡圖譜的技術，可以幫助理解大腦內神經信息處理機制，進而進一步理解腦認知功能，這在國際腦科學發(fā)展進程中具有里程碑的意義。

除了繪制腦圖譜，該所還將在全腦可視化網絡、面向腦疾病的集成神經技術、類腦智能技術3大方向開展研發(fā)。建立了介觀水平繪制全腦基因表達、細胞類型及神經網絡連接結構圖譜的技術平臺，介觀腦譜圖海量數據的圖像處理和可視化研究平臺，并正在開展腦研究和類腦基礎大數據庫建設。

專家認為，發(fā)展腦科學的現實意義是治療各類人腦疾病，比如帕金森病、阿爾茨海默氏癥、抑郁癥、精神分裂癥等;如果能推進人工智能研究，則更令人遐想無限。
“阿爾法圍棋”戰(zhàn)勝李世石引來世人矚目，可是它僅僅是一個單一任務的運算程序，與人腦的能力還有極大差距，如果真正模擬人腦又會怎樣?可以預期的是，腦科學的新發(fā)現，將使人工智能發(fā)展獲得新的“助推器”。