瞭望丨 中國科學(xué)院院士 海南大學(xué)校長 駱清銘：“看見”大腦

◇以工業(yè)化的方式大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化地產(chǎn)生數(shù)據(jù)并繪制腦圖譜，將改變神經(jīng)科學(xué)已有的研究方式◇“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計劃目前已凝練了攻關(guān)研究方向，提出了合理研究目標(biāo)，正處在起跑前的準(zhǔn)備階段。這一重大研究計劃的實施，將有望使我國在該領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先地位◇非人靈長類動物全腦的介觀圖譜測繪新技術(shù)，將極大推進對大腦結(jié)構(gòu)和功能的理解，從“看”得見，到“看”得清、“看”得懂

腦科學(xué)被公認(rèn)為是自然科學(xué)的最后疆域，吸引了全世界眾多科學(xué)家為之奮斗。在過去一個世紀(jì)，腦科學(xué)研究取得很大進展，但對大腦這一最復(fù)雜的器官如何運行，人們?nèi)匀恢�之甚少。特別是大腦如何感知外界、如何做出決策、如何左右情緒等復(fù)雜的腦功能，人類依然是盲人摸象，未知遠(yuǎn)大于已知。 研究黑洞般的大腦，首先需要“看見”大腦。 中國科學(xué)院院士、海南大學(xué)校長駱清銘率領(lǐng)團隊歷時十余年，發(fā)明顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)（MOST），首次獲得了亞微米分辨率的小鼠全腦高分辨圖譜，首次展示了鼠腦軸突的長距離追蹤，為實現(xiàn)單神經(jīng)元分辨水平的全腦三維可視化（全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜）研究提供了重要研究手段。 駱清銘還與中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士共同發(fā)起“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計劃。該計劃將使用最接近人類的非人靈長類等動物模型，在單細(xì)胞分辨率上繪制具有神經(jīng)元類型特異性的全腦聯(lián)接圖譜。

駱清銘告訴《瞭望》新聞周刊記者：“繪制腦聯(lián)接圖譜，是認(rèn)知腦功能并進而探討意識本質(zhì)的科學(xué)前沿工作，對腦疾病防治、智能技術(shù)發(fā)展也具有引導(dǎo)作用�！�

華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院科研人員正在為鼠腦成像

大腦：“看見”“看清”，更要“看懂”

《瞭望》：現(xiàn)在老年癡呆、帕金森病、抑郁和自閉癥等腦疾病還不能及時有效治療，主要的技術(shù)難題是什么？ 駱清銘：實現(xiàn)對腦疾病防治的重要前提是認(rèn)識腦、理解腦。腦的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，從腦區(qū)、細(xì)胞到突觸，分子跨越多個層次，空間尺度覆蓋5～6個數(shù)量級。因此，認(rèn)識腦結(jié)構(gòu)與功能需要恰當(dāng)?shù)挠^測手段，但現(xiàn)有技術(shù)存在很大局限性，所能獲得的信息都是片面的、局部的。 可以說，認(rèn)識腦結(jié)構(gòu)與功能面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是全方位的。 從“看得見”層面，需要發(fā)展標(biāo)記示蹤技術(shù)，把感興趣的結(jié)構(gòu)與周圍腦組織區(qū)分開，使它們能被看見。 從“看得清、看得全”層面，需要發(fā)展成像技術(shù)，不僅要能分辨腦的不同組成單元，微小如細(xì)胞、單個軸突、單個突觸也能被清晰分辨，同時又要能將成像范圍覆蓋完整全腦，做到處處可辨。 從“看得懂”層面，則需要發(fā)展海量數(shù)據(jù)存儲、處理與可視化技術(shù)，從中高效提取腦科學(xué)研究所需的有用信息，進而轉(zhuǎn)化為新知識，幫助人們改變對腦和疾病的認(rèn)識。 可以說，每個層面面臨的挑戰(zhàn)都是巨大的。

《瞭望》：為了“看見”大腦，科學(xué)家研究了哪些技術(shù)？ 駱清銘：各國科學(xué)家發(fā)展了各種各樣的技術(shù)。按分辨水平，腦圖譜可分為宏觀、微觀和介觀不同層次。 磁共振成像（MRI）是典型的宏觀腦圖譜繪制技術(shù)，它能幫助我們看到腦區(qū)層次的響應(yīng)和彼此之間的聯(lián)接關(guān)系。MRI能快速觀測全腦，但不能在神經(jīng)元/細(xì)胞分辨水平真實反映腦結(jié)構(gòu)與功能活動，也就是說它“看”不清。 電子顯微鏡則是繪制微觀腦圖譜的重要手段，可以用納米分辨率對局部突觸聯(lián)接進行解析，但電鏡的成像范圍極其有限，難以“看”全。有人測算過，即使只對1立方毫米的腦組織進行電子顯微鏡成像，也需要1萬人1年的工作量。 我的團隊在過去20多年發(fā)展的MOST系列技術(shù)則是介觀腦圖譜繪制技術(shù)的代表，能夠?qū)δX功能的基本單元神經(jīng)元細(xì)胞的完整形態(tài)及其組成的全腦網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接進行清晰成像。以MOST為核心的全腦定位系統(tǒng)（BPS）既能在亞細(xì)胞分辨水平、又能在全腦范圍實現(xiàn)腦精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測。 BPS與電子顯微鏡和功能磁共振等技術(shù)的互相補充、融合，將構(gòu)建出更完備的腦空間信息技術(shù)體系框架。

《瞭望》：你提出的腦空間信息學(xué)的基本內(nèi)涵是什么？ 駱清銘：腦空間信息學(xué)是以腦聯(lián)接的基本結(jié)構(gòu)與功能單元為研究對象，揭示腦聯(lián)接空間信息機制，引導(dǎo)腦疾病防治與智能技術(shù)發(fā)展的新興交叉學(xué)科。 腦空間信息學(xué)以腦科學(xué)和信息科學(xué)的基本理論為指導(dǎo)，運用新興的全腦高分辨精準(zhǔn)空間定位與成像方法。如BPS，同時結(jié)合多種前沿腦科學(xué)研究技術(shù)，標(biāo)記、獲取、分析和可視化具有明確空間尺度和位置的精細(xì)腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能信息，以細(xì)胞/軸突/毛細(xì)血管分辨水平的高分辨率，在全腦范圍測量與繪制腦結(jié)構(gòu)和功能信息的三維空間分布及其動態(tài)變化。如神經(jīng)元投射、神經(jīng)/血管分布、基因組/蛋白組/代謝組/轉(zhuǎn)錄組分布等，從而獲取三維精細(xì)的腦聯(lián)接圖譜、建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)體系。 由此更進一步，運用數(shù)據(jù)科學(xué)和計算神經(jīng)科學(xué)，從大數(shù)據(jù)中提取跨層次、多尺度的腦聯(lián)接時空特征。如神經(jīng)元和血管走向、同類型神經(jīng)元的覆蓋范圍、神經(jīng)元之間的時空聯(lián)接特征及投射方向等，建立模型，揭示感知、記憶、意識和情感等腦聯(lián)接空間信息機制，從而促進腦健康與智能技術(shù)的跨越式發(fā)展。

將改變神經(jīng)科學(xué)已有的研究方式

《瞭望》：國際學(xué)術(shù)界對MOST有何評價? 駱清銘：生物組織中廣泛存在的散射和吸收，會導(dǎo)致在組織內(nèi)部成像時，隨深度加深圖像質(zhì)量有所下降，直至無法成像。因此，我們提出將光學(xué)成像與組織切削相結(jié)合的策略，來打破光學(xué)成像的深度限制，同時保持始終在樣本表面成像以保證所獲圖像質(zhì)量達(dá)到最佳水平。 我們將全腦樣本進行塑性包埋以實現(xiàn)硬化處理后，將其置于我們自主研發(fā)的MOST系列成像儀器上，對樣本表面進行邊成像邊切削的數(shù)據(jù)采集，直至完成整個樣本的成像。整個過程在納米精度控制的三維平移臺上自動運行，確保連續(xù)獲取的圖像之間具有天然配準(zhǔn)性，便于后期進行三維圖譜的繪制和處理。 2010年，我們在《科學(xué)》雜志首次發(fā)表“顯微光學(xué)切片斷層成像（MOST）獲取小鼠全腦高分辨率圖譜”的成果，在世界上率先實現(xiàn)哺乳動物單神經(jīng)元分辨的全腦三維成像，這是我們團隊經(jīng)過近10年的技術(shù)攻關(guān)完成的�！犊茖W(xué)》評價該工作“來自中國的團隊竭盡全力地創(chuàng)造出最精細(xì)的小鼠全腦神經(jīng)元三維聯(lián)接圖譜”“沒有一家能達(dá)到與中國工作類似的精細(xì)程度”“所提供的數(shù)據(jù)和新的自動化腦圖譜獲取儀器將會為未來的研究提供重要基礎(chǔ)”。該技術(shù)入選“2011年度中國科學(xué)十大進展”，并獲得2014年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

《瞭望》：有了MOST的良好基礎(chǔ)，你們又做了哪些工作? 駱清銘：在MOST基礎(chǔ)上，為滿足不同類型的神經(jīng)科學(xué)研究需要，我們團隊發(fā)展了具有不同成像特點與系統(tǒng)性能的系列成像技術(shù)。例如熒光顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)（fMOST）、雙色熒光顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)（dfMOST）、高清晰熒光顯微光學(xué)切片斷層成像技術(shù)（HD-fMOST）等不同類型。 2013年，我們利用fMOST首次在單神經(jīng)元水平實現(xiàn)了小鼠全腦熒光成像。這意味著，我們可以利用fMOST追蹤每根神經(jīng)元聯(lián)接的來龍去脈，幫助深入了解大腦結(jié)構(gòu)。當(dāng)年的《自然·方法》評價其為“首次展示了鼠腦內(nèi)一根根軸突的長距離追蹤”。 2016年，我們在《自然·通訊》發(fā)表了dfMOST技術(shù)，利用細(xì)胞構(gòu)筑染料在組織中滲透緩慢的特點，提出實時復(fù)染的新概念，在不增加額外時間消耗的情況下實現(xiàn)全腦高通量雙色精準(zhǔn)成像，可以同時在單細(xì)胞水平解析全腦神經(jīng)聯(lián)接形態(tài)和空間定位，為研究者提供了一種精準(zhǔn)分析介觀尺度甚至微觀尺度神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)的工具�！蹲匀弧し椒ā吩u價該工作“使用該技術(shù)獲得的腦圖譜毋庸置疑地將是對理解腦聯(lián)接和腦功能具有重要價值的資源”。 此后，為解決在復(fù)雜背景中對特定目標(biāo)細(xì)胞進行精確成像，我們團隊提出了線照明調(diào)制顯微成像新技術(shù)，重建出清晰的光學(xué)層析圖像。理論和實驗均證明，該方法實現(xiàn)方式簡單，成像質(zhì)量極佳，解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微成像過程中無法同時兼顧高分辨、高通量和高清晰度的問題。將該技術(shù)與薄層組織切片技術(shù)相結(jié)合，我們研制了HD-fMOST系統(tǒng)，其高信噪比和高清晰度的原始數(shù)據(jù)，讓自動和人工追蹤神經(jīng)元形態(tài)更簡便、更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確和更高效，大大提高了工作效率。這項工作于今年3月發(fā)表于《自然·方法》。 這些光學(xué)切片斷層成像技術(shù)統(tǒng)稱為BPS，該系統(tǒng)已迅速為國內(nèi)外十余家神經(jīng)科學(xué)研究單位應(yīng)用，在腦科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。2017年，美國國立衛(wèi)生研究院面向全球征集有獨特優(yōu)勢的腦研究新技術(shù)，美國艾倫腦科學(xué)研究所、冷泉港實驗室同時申請用fMOST技術(shù)開展全腦細(xì)胞類型普查研究，研究成果將于近期在《自然》發(fā)表。

《瞭望》：你們團隊還進行了哪些開創(chuàng)性工作？ 駱清銘：圍繞高分辨腦聯(lián)接圖譜研究，我的團隊還在神經(jīng)環(huán)路標(biāo)記、海量大數(shù)據(jù)處理及可視化領(lǐng)域進行了探索。2014年，我們在《自然·通訊》發(fā)表文章，揭示了樹脂包埋樣本中熒光蛋白分子的質(zhì)子化機理，提出重激活熒光蛋白分子的新方法。2016年，建立從大范圍密集神經(jīng)群落數(shù)據(jù)中自動重建出單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的方法，發(fā)表在《自然·方法》。2019年，我們在《自然·神經(jīng)科學(xué)》發(fā)表文章，繪制了最詳盡的小鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層的全腦輸入圖譜，并提出基于環(huán)路結(jié)構(gòu)和共投射模式的神經(jīng)元分類方法，為神經(jīng)環(huán)路的組織架構(gòu)研究開拓了新的思路。 在腦血管圖譜研究方面，我們建立了小鼠全腦的尼氏染色和樹脂包埋方法，利用MOST技術(shù)以1微米分辨率，同時獲得小鼠全腦細(xì)胞和血管的圖像，發(fā)展了相應(yīng)的自動識別和分割算法。進一步，我們建立了獲取、處理和分析腦血管數(shù)據(jù)的技術(shù)體系，構(gòu)建了哺乳動物全腦精細(xì)血管立體定位圖譜。該研究首次在全腦范圍內(nèi)系統(tǒng)性構(gòu)建和標(biāo)識出包含動脈、靜脈、微動脈和微靜脈的精細(xì)腦血管圖譜，不僅對完整血管樹進行三維重建，而且利用同步獲取的細(xì)胞構(gòu)筑圖像提供的解剖信息，在單細(xì)胞水平實現(xiàn)了血管分支的立體定位。得益于MOST成像技術(shù)的高分辨率，我們發(fā)現(xiàn)了許多之前未曾報道的靜脈分支，也定量分析了動脈、靜脈血管與腦區(qū)的連通性及供血關(guān)系。該圖譜為腦功能和腦疾病的研究提供了重要的基礎(chǔ)性資源數(shù)據(jù)。 2016年，我們團隊得到江蘇省、蘇州市和蘇州工業(yè)園區(qū)的支持，獲得4.5億元投資，成立華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院，以工業(yè)化的方式來繪制腦圖譜。通過用樹脂包裹住鼠腦，形成如同膠囊大小的“琥珀”，成像儀器的金剛石刀片將浸泡在溶液中的鼠腦標(biāo)本切割成1微米厚的薄片，邊切邊拍照，一只鼠腦大約切1萬層，最后合成三維腦圖譜，我們由此獲得了目前世界上最清晰的哺乳動物腦圖譜�！蹲匀弧穼Υ诉M行專題報道，并引述國際專家評價“這種以工業(yè)化的形式大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，將改變神經(jīng)科學(xué)已有的研究方式”。

我們的研究將極大推進對大腦結(jié)構(gòu)和功能的理解

《瞭望》：“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計劃目前進展情況如何？ 駱清銘：經(jīng)過多年的充分研討，目前該計劃已凝練了攻關(guān)研究方向，提出了合理研究目標(biāo)，正處在起跑前的準(zhǔn)備階段。相信這一重大研究計劃的實施，將有望使我國在該領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先地位。

《瞭望》：你的研究方向?qū)⒃谶@一大科學(xué)計劃中發(fā)揮什么作用？ 駱清銘：過去十多年的應(yīng)用證明，我們發(fā)展的BPS技術(shù)，是目前在介觀水平繪制腦圖譜最穩(wěn)定、最可靠、分辨率最高、數(shù)據(jù)質(zhì)量最好的成像技術(shù)。我們擁有全鏈條“樣本處理、三維高分辨率全自動成像、大數(shù)據(jù)處理與分析”的自主知識產(chǎn)權(quán)，BPS是迄今國際上唯一可以在哺乳動物全腦獲取軸突分辨的神經(jīng)元完整形態(tài)，并以單細(xì)胞精度提供空間定位信息的技術(shù)，即介觀水平定義全腦三維空間的定位坐標(biāo)。 近日，由中國科學(xué)院主辦的《科學(xué)通報》在線發(fā)表了我們針對非人靈長類動物全腦的介觀圖譜測繪新技術(shù)。由于獼猴腦是小鼠腦體積的200倍左右，我們解決了大樣本處理、自動化成像及PB量級數(shù)據(jù)分析的技術(shù)難題，真正實現(xiàn)了獼猴全腦內(nèi)軸突投射和解剖定位的三維連續(xù)解析。該技術(shù)在單神經(jīng)元完整形態(tài)的獲取及其全腦聯(lián)接關(guān)系的解析上，具有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢。我們的研究將極大推進對大腦結(jié)構(gòu)和功能的理解，從“看”得見，到“看”得清、“看”得懂。

《瞭望》：發(fā)展腦科學(xué)研究，你還希望獲得哪些支持？ 駱清銘：工欲善其事，必先利其器。生命科學(xué)的每一次發(fā)展，都以重大技術(shù)的進步為前提。腦科學(xué)研究也不例外。在國家自然科學(xué)基金和科技部有關(guān)項目的支持下，我和團隊長期致力于發(fā)展BPS技術(shù)，有幸保持了十余年的領(lǐng)先位置。我們希望能繼續(xù)得到支持，包括科研項目、人才項目和成果轉(zhuǎn)化政策等，以便聚集優(yōu)勢隊伍，形成合力，在腦科學(xué)研究中發(fā)揮更大作用，繼續(xù)保持國際領(lǐng)先優(yōu)勢。

海南大學(xué)黨委宣傳部

來源丨《瞭望》新聞周刊

撰文丨扈永順

編輯 | 周孜璇

審核| 余夢月許勁草

投稿郵箱丨h(huán)ndxwx@hainanu.edu.cn

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