腦，是我們每個人的“頂級配置”。我們之所以有喜怒哀樂，能夠學習、記憶、運動，擁有良好的睡眠，都離不開大腦的調控。神經元是大腦行使功能的基本單位，它的3D結構特征可以揭示腦內神經信號的流動，反映大腦的神經網絡連接，也是鑒定神經元類別的重要參數。
不過，想清晰地看清并重建大量神經元全腦形態，還存在諸多瓶頸。10月13日，科技日報記者從東南大學獲悉，該校聯合美國艾倫腦科學研究所、華中科技大學、溫州醫科大學、騰訊等機構，生成了目前世界上數目最大的關于小鼠的1741個單細胞神經元的數據集，并鑒定了來自皮層、屏狀核、丘腦和紋狀體等腦區的11種主要神經元投射類型，成果近日發表于國際期刊《自然》。
“雖然小鼠的大腦和人類大腦存在差異，但是在結構和細胞類型方面大體上是相似的，因此鼠腦神經元的研究為解析人腦的神經元類別以及探索神經系統疾病如精神分裂癥、自閉癥、抑郁癥等的機制提供了重要信息。”論文共同第一作者、東南大學腦科學與智能技術研究院副研究員劉力娟告訴科技日報記者。
諸多瓶頸曾制約全腦神經元網絡重建
走進東南大學腦科學與智能技術研究院(以下簡稱東大腦智院)，工作人員正在電腦前標注鼠腦的神經元結構信息。屏幕上的大腦輪廓中，盡管做了神經元的選擇性標記，神經元的結構仍然密密麻麻，像一堆線團。
人腦約有860億個神經元，神經元間的有序連接網絡決定了大腦能實現哪些功能。了解神經元結構，使連接路徑可視化，將有助于闡明神經元的功能。
小鼠是研究腦科學的重要模式動物，它們有學習、記憶和社交能力，其大腦擁有上億個神經元，觀察小鼠的神經元結構，對于了解人腦結構和功能有重要參考價值。
不過，長期以來，重建高通量的全腦神經元網絡一直存在瓶頸。
“小鼠的腦只有約成人指甲蓋大小，而且有蛋白質等結構，不透明，所以普通的光學顯微成像技術很難獲得全腦圖像，這也是全腦研究的難點。”劉力娟說，此次研究中，科研團隊構建了選擇性標記的小鼠品系樣本，中國科學院院士駱清銘教授以及華中科技大學龔輝教授團隊完成了基于熒光顯微光學切片斷層成像系統的高分辨率小鼠全腦圖像采集。
但高分辨率也令小鼠全腦圖像體量巨大，達到15—20TB，這對圖像平臺的算法和數據處理能力形成很大挑戰。
“有的神經元信號很弱，看清楚很難，而且神經元分枝復雜，一旦追蹤錯了，就無法準確還原神經元形態，也就是就追錯了神經元發送信號的路徑。”劉力娟所言非虛，全腦神經元結構龐大，某些小鼠的腦皮層細胞可以跨越兩個腦半球，且分枝繁多，總長度可達40厘米左右，因此準確快速地重建神經元十分困難。
在1741個神經元的數據集中“捕捉”到11種投射類型
為破解這些難題，東大腦智院與上海大學王宜敏博士團隊開發了三維可視化Vaa3D-TeraVR平臺。在VR模塊中，研究人員可頭戴VR設備，“沉浸式觀察”神經元結構，從而大大降低重建繁雜難辨的神經元的難度。
同時，東大腦智院建立了自動化與手動結合的神經元重建流程，使神經元的形態“捕捉”變得更加高效、精準，并與安徽大學屈磊教授團隊合作研發圖像配準算法mBrainAligner。基于這些平臺和算法，東大腦智院建立起完整的大數據管理和計算分析平臺。
“這些數據來自腦皮層、屏狀核、紋狀體和丘腦等腦區神經元，是目前世界上公布的最大單細胞腦神經元數據集。”劉力娟說。
有了這些神經元的大數據，科研團隊很快“捕捉”到其中11種主要的神經元投射類型。
“其中，以往被認為可能是意識開關的屏狀核與側皮層屬于同一轉錄組類別Car3，但是實際上它們的投射目的地卻截然不同。屏狀核的神經元平均投射區域可達20個，單個神經元間的投射目的地差異巨大。”
更讓團隊欣喜的是，擁有同樣的轉錄組信息的神經元，卻呈現了多樣的神經元形態，這說明神經信號被傳送到不同的腦區域。
“神經元形態的多樣性，對于多水平地了解神經元功能、揭示神經元形成的復雜神經環路提供了直觀的切入點。”劉力娟解釋。(金 鳳)
