·這一系列“高清地圖”的發(fā)布，其意義遠不止于數(shù)據(jù)本身，它為腦科學基礎研究、腦疾病診療和類腦智能發(fā)展提供了關鍵的鑰匙。

大腦是自然界最復雜的造物。在人類大腦中，近千億神經(jīng)元如繁星般交織，構(gòu)成了思想、記憶與意識的宇宙。解開這個宇宙的運行法則，是科學的終極疆域之一。

7月10日，一個由中國科學家主導，聯(lián)合多國研究力量的團隊，在《細胞》（Cell）、《神經(jīng)元》（Neuron）、《發(fā)育細胞》（Developmental Cell）期刊以專輯形式，集中發(fā)表了十項里程碑式的研究成果。這一系列成果借助自主研發(fā)的腦成像、空間轉(zhuǎn)錄組和人工智能技術，首次實現(xiàn)了介觀腦聯(lián)接圖譜繪制從嚙齒類到靈長類的跨越。這不僅為理解大腦的“智慧密碼”提供了前所未有的“高清地圖”，也標志著我國在這一前沿領域的研究進入了體系化攻堅的新階段。

這些研究是中國科技部重點培育的“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學計劃的階段性碩果，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心、中國科技大學、華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學研究院、浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院等30多家國內(nèi)外機構(gòu)、超過300名科研人員協(xié)同完成。

從細胞類型到結(jié)構(gòu)圖譜：繪制大腦的“高清地圖”

要理解一座城市的運轉(zhuǎn)，我們需要不同精度的地圖：一張顯示各功能區(qū)的衛(wèi)星圖，一張標明所有道路的交通圖，以及一張記錄每個地址居民信息的戶籍圖。繪制“大腦地圖”也是同理，科學家需要從不同層面入手，構(gòu)建一套多維度的圖譜。

我們知道大腦里面主要是神經(jīng)元細胞，但實際上大腦并非由單一類型的細胞構(gòu)成，而是由成百上千種功能各異的神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞等組成的精密“社區(qū)”。這些細胞可以從基因角度進行更細致的分類，來揭示它們演化和功能方面的特征?！凹毎愋蛨D譜”就是用來回答“大腦里有哪些細胞，它們分別住在哪里”這一問題的。

利用華大自主研發(fā)的Stereo-seq空間轉(zhuǎn)錄組技術，研究人員得以在知曉一個細胞基因信息的同時，精確定位它的空間“住址”。在本次成果中，團隊不僅繪制了小鼠全腦的單細胞空間圖譜，還首次獲得了阿爾茨海默病患者海馬腦區(qū)的單細胞空間圖譜，精確揭示了病理狀態(tài)下特定細胞類型的空間分布變化，為疾病的早期診斷及鑒別診斷提供了全新線索。

知道了細胞的類型和分布之后，就需要回答“細胞之間如何聯(lián)接”的問題，于是就有了反映不同類型細胞的聯(lián)接結(jié)構(gòu)和模式的“介觀”圖譜。神經(jīng)元通過軸突，將自己需傳遞的信息“投射”到其它神經(jīng)元上。許多神經(jīng)元之間的聯(lián)接，就形成了大腦的“公路網(wǎng)”，并進一步將信息傳遞到身體的各個部分?？辞暹@張網(wǎng)絡的具體走向，是理解大腦信息處理流程的關鍵。

研究團隊利用自主研發(fā)的LV-fMOST和VISoR等高通量三維成像技術，實現(xiàn)了對整個大腦乃至整個小鼠全身的精細成像。其中一項成果進一步利用自主研發(fā)的Gapr追蹤系統(tǒng)，重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中超過2200個投射神經(jīng)元的全腦“線路圖”，發(fā)現(xiàn)靈長類大腦的神經(jīng)連接模式比小鼠更為“精簡高效”，這可能是實現(xiàn)高級認知功能的重要特征。

這一發(fā)現(xiàn)打破了原先“物種越高等，單神經(jīng)元連接越復雜”的假設：靈長類大腦的單神經(jīng)元結(jié)構(gòu)并非更復雜，而是采取了更專一的投射靶向、更高效的聯(lián)接模式。通俗來說，靈長類大腦如同員工數(shù)量龐大、人人分工明確的“大公司”，而小鼠大腦如同員工數(shù)量少、人人都是多面手的“小公司”。美國科學院院士、麻省理工學院麥戈文腦研究所所長Robert Desimone評價該成果為“杰作”：“這一靈長類前額葉皮層及其連接的‘線路圖’，對于我們進一步理解健康和疾病狀態(tài)下的認知功能是非常需要的?！?/p>

在對被認為是“意識中樞”的獼猴屏狀核的研究中，團隊結(jié)合空間轉(zhuǎn)錄組和全腦連接數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)屏狀核內(nèi)部分為四個功能亞區(qū)，每個亞區(qū)富含特定的細胞類型，并與大腦不同功能腦區(qū)相連。這為理解意識如何整合全腦信息提供了關鍵的結(jié)構(gòu)框架。

大腦“地圖”的繪制離不開更精準有效的測序、示蹤、觀測等技術，該系列研究攻克了一系列難點，構(gòu)建出了國際領先的細胞特異性靶向工具。長期以來，要在獼猴大腦中精準地標記和調(diào)控特定類型的細胞極為困難。中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心/上海腦科學與類腦研究中心的劉真研究組牽頭合作研發(fā)的工具集，如同開發(fā)了一套“精準導航”的分子工具，使研究人員無需再依賴耗時漫長的轉(zhuǎn)基因模型，就能在靈長類大腦中便捷地實現(xiàn)對特定神經(jīng)元的活性“開關”和“觀測”，這一技術標志著“靈長類腦科學進入了精準細胞類型研究新階段”。

“這些成果的取得，離不開自主技術的迭代?！敝袊茖W院腦智卓越中心黨委書記、副主任孫衍剛介紹，“我們形成了‘技術開發(fā)+平臺支撐+團隊協(xié)作’的模式。在10項成果里有兩項是關鍵技術突破，在此基礎上，我們通過建立平臺和團隊協(xié)作，在神經(jīng)環(huán)路解析、腦進化解密和腦疾病解碼三方面取得了一系列突破?！?/p>

破解大腦之謎的堅實一步

這一系列“高清地圖”的發(fā)布，其意義遠不止于數(shù)據(jù)本身，它為腦科學基礎研究、腦疾病診療和類腦智能發(fā)展提供了關鍵的鑰匙。在基礎科學層面，這些圖譜不僅揭示了前額葉、屏狀核等腦區(qū)的結(jié)構(gòu)規(guī)律，也為了解智慧的起源和演化提供了全新視角。通過比較龜、鳥、小鼠、獼猴等多個物種的腦圖譜，研究人員揭示了脊椎動物大腦在長達3.2億年演化史中的保守與特化規(guī)律。

在應用層面，這些成果直接指向了人類最棘手的腦疾病。在針對阿爾茨海默病的研究中，團隊繪制的人類海馬空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，清晰地展示了在病理斑塊周圍，特定的小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞如何聚集并改變，揭示了一系列神經(jīng)系統(tǒng)來源的靶標，為理解病理機制和開發(fā)早期診斷標志物提供了重要依據(jù)。該團隊的研究人員、浙江大學的王盼告訴澎湃科技，基于該研究發(fā)現(xiàn)的外泌體靶標能夠成為阿爾茲海默病早期診斷乃至治療干預的靶點，目前已經(jīng)在進行成果轉(zhuǎn)化中。

另一項研究則首次描繪了小鼠腦出血后從超急性期到恢復期的單細胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，系統(tǒng)解析了腦組織損傷與修復過程，以及膠質(zhì)細胞等多種細胞在這一修復過程中發(fā)揮的關鍵作用，揭示血腫及其周邊區(qū)域存在明確的空間梯度基因表達模式，闡明腦出血不僅是局部病變，更會引發(fā)全腦反應。該圖譜的繪制，為深入理解腦出血的動態(tài)病理過程提供了重要資源，并為靶向干預和個體化治療策略奠定了基礎。該研究團隊成員、鄭州大學基礎醫(yī)學院王君敏副教授表示，未來有望通過在特定時間窗口內(nèi)用藥調(diào)控炎癥或氧化應激，結(jié)合手術精準清除血腫，為腦出血的臨床治療帶來新的希望。

系列研究項目發(fā)起者、中國科學院院士蒲慕明表示，從獼猴大腦到人類大腦，從介觀圖譜到真正能反映大腦運作機制的“功能圖譜”，大腦地圖要真正幫助我們理解意識起源、解決大腦疾病，還有很長的路要走。目前的工作是這些目標的堅實基礎。

“如同‘人類基因組’計劃一樣，剛測出來的時候，人們也不知道怎樣去利用。但測序不僅推動了技術的發(fā)展，我們知道了神經(jīng)聯(lián)接信息等之后，還能夠進一步研究其規(guī)律，為之后的功能研究和神經(jīng)調(diào)控打下基礎?！彼嬖V澎湃科技。

中國的“大科學計劃”

繪制大腦圖譜是一項工程浩大、數(shù)據(jù)量驚人的系統(tǒng)工程，非單個實驗室或單個機構(gòu)所能完成。本次系列成果的發(fā)布，充分展現(xiàn)了大團隊協(xié)同攻關的“集團軍”優(yōu)勢。

“這個成果實際上是有國內(nèi)外的8個研究機構(gòu)的92名科研人員共同聯(lián)合攻關完成的，”孫衍剛研究員以屏狀核研究為例介紹，“這里面整合了法國科研機構(gòu)的示蹤技術、華大的空間轉(zhuǎn)錄組技術優(yōu)勢，還有騰訊AI實驗室的算法算力優(yōu)勢。這是一個圍繞核心任務，多方協(xié)同最終產(chǎn)生突破性成果的非常好的案例?！?/p>

這種大科學的組織模式，正是中國正在積極推動的“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”國際大科學計劃的雛形。蒲慕明表示：“我們在這個領域，已經(jīng)在國際前沿上做出了令人矚目的工作。在這個基礎之上，我們在今年9月份將正式成立全球的靈長類腦圖譜聯(lián)盟。這是一個中國發(fā)起的大科學計劃，我們中國科學家擔任主導作用?！?/p>

這項計劃的目標宏大且清晰：從已經(jīng)取得突破的小鼠和獼猴圖譜出發(fā)，穩(wěn)步向著繪制人類介觀腦圖譜的最高目標邁進。這不僅需要持續(xù)的技術創(chuàng)新，更需要開放、共享的國際合作精神。

“靈長類腦圖譜研究具有工程浩大、周期長、數(shù)據(jù)量驚人等特點，對此，我們呼吁要持續(xù)深化全球科技合作，共同向破解靈長類介觀腦圖譜的更高目標發(fā)起沖擊。”項目相關負責人介紹。

從最初的模糊輪廓到如今的“高清地圖”，人類對自身大腦的探索正邁入一個新紀元。這些由中國科學家主導繪制的圖譜，不僅是基礎科學的寶貴財富，也為最終實現(xiàn)“認識腦、保護腦、模擬腦”的目標奠定了堅實的基石。