大腦是結(jié)構(gòu)和功能最復雜的器官，識別大腦的三維結(jié)構(gòu)，對腦科學研究有著重要作用。長久以來，為了能“看清”大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其運轉(zhuǎn)機制，科學家們都在嘗試繪出一幅包含連接性、功能和微觀結(jié)構(gòu)的大腦高清“地圖”。

7月26日，中國科學院深圳理工大學（籌，下稱“中科院深理工”）/中國科學院深圳先進技術(shù)研究院（下稱“深圳先進院”）、中國科學技術(shù)大學和合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院等團隊的研究人員在國際學術(shù)期刊《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）在線發(fā)表了一項最新研究。研究團隊歷時5年，通過自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術(shù)和靈長類腦圖譜繪制SMART流程，實現(xiàn)了獼猴大腦的微米級分辨率三維解析，這是目前世界上最高精度的靈長類動物的腦圖譜。

中科院深理工/深圳先進院副研究員徐放，中國科學技術(shù)大學研究生沈燕、丁露鋒、楊朝宇為論文第一作者。中科院深理工/深圳先進院腦認知與腦疾病研究所畢國強教授和劉北明教授為該論文的通訊作者。

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(zhuǎn)機制，需要將這些精密連接結(jié)構(gòu)解析出來，就像給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一個重點研究方向。

研究團隊提到，目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠，國際通用的成像技術(shù)對其進行微米分辨率全腦成像通常需要數(shù)天的時間，而獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時間內(nèi)完成全腦成像是一項極大的挑戰(zhàn)。

VISoR2 顯微鏡工程簡圖。

為應對這一挑戰(zhàn)，研究團隊經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術(shù)（該工作于2019年發(fā)表于《國家科學評論》）。這一技術(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)復雜、組織透明度差等多方面的困難。研究團隊采取先對離體大腦進行包埋切片的方式，使得溶液滲透效率僅依賴于切片厚度，而不受其大小的影響，并且發(fā)展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對腦片的灰質(zhì)與白質(zhì)不同部分、不同深度達到均勻透明。

然后通過改進的VISoR2系統(tǒng)，研究團隊最終對獼猴全腦樣品在100小時內(nèi)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1PB。

由于數(shù)據(jù)體積龐大，研究團隊還開發(fā)了自動的三維圖像拼接技術(shù)和漸進式的半自動追蹤技術(shù)，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)了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質(zhì)溝回處轉(zhuǎn)折延伸的多種路徑形態(tài)。 

獼猴丘腦神經(jīng)元軸突投射與追蹤。

“VISoR技術(shù)作為當前世界最快的大尺度三維組織成像方法，可以對各種模型動物大腦進行高通量、高精度的定量解析，并可擴展至其它組織器官，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都有廣闊的應用前景?！碑厙鴱姳硎?，“這項技術(shù)產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，將有望幫助理解人類大腦和身體器官的精細結(jié)構(gòu)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?！?/p>

獼猴大腦的三維高分辨重建圖（a）、截面圖（b）、內(nèi)部神經(jīng)纖維展示（c），以及部分神經(jīng)纖維的全腦示蹤和可視化（d）。

據(jù)了解，研究團隊將深入研究靈長類大腦結(jié)構(gòu)的組成，以及其與大腦智能的關(guān)系和疾病中的變化，并與醫(yī)院、人工智能相關(guān)公司開展合作，繼續(xù)開發(fā)相關(guān)技術(shù)，用于動物及人類器官病理組織的高分辨全景三維成像。

https://www.nature.com/articles/s41587-021-00986-5