科學家首次解析腦神經突觸高精度三維結構

作者：刁雯蕙 桂運安 田靜

近日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）雙聘教授畢國強和劉北明團隊，與美國加州大學洛杉磯分校教授周正洪合作通過發展前沿冷凍電鏡斷層三維成像技術，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構，研究成果發表在《自然—神經科學》上，這項工作對於探索腦神經系統的工作原理，破譯大腦運轉密碼具有重要意義。

探索人類大腦的工作機制，是人類科學研究最偉大的挑戰之一。大腦的內部究竟是何模樣？千億個腦神經元是如何工作的？深圳先進院腦認知與腦疾病認知研究所（以下簡稱腦所）和深港腦科學創新研究院新成立的腦信息中心（以下簡稱中心），正是一支孜孜探索這些問題答案的腦科學交叉研究團隊。

中心主任畢國強介紹說：「隨著生物、物理、化學、信息等交叉科學技術的發展，人們獲取和分析大量腦數據信息的能力飛速發展，可以說腦科學研究正在進入資訊時代。中心主要通過發展和應用冷凍電鏡斷層三維重構顯微成像、高通量全腦三維光學顯微成像、高時空精度的電生理與電化學檢測和智能計算等技術，獲取和分析腦神經系統精細結構和活動的海量數據信息，揭示神經系統信息處理的機制和原理，而這些基礎研究成果除了滿足人類的好奇心，也可能會啟發新一代人工智慧和腦疾病診療技術。」

為了解析大腦複雜的結構組織，中心 「兵分兩路」，一路主攻全腦尺度上對大腦進行亞微米分辨的三維成像，重構完整的腦圖譜；一路主攻微觀上對腦神經突觸在分子乃至原子水平的超微結構解析。「這樣我們就能做到『既見森林，又見樹木，還見樹葉』。」 中心執行主任孫堅原說。

為大腦繪製高清「地圖」

「要理解大腦的運轉機制，首先就需要將腦內千億個神經細胞以及它們之間的連接呈現出來，就像給大腦繪製一張高清地圖。」中心副研究員徐放介紹道。

腦圖譜解析是神經科學研究十分重要的領域，是世界各國「腦計劃」的重點研究方向。對於神經科學中重要的模型動物斑馬魚以及小鼠的腦圖譜解析，中國的科學家做出了世界前列的工作。以目前的技術，完成一隻鼠腦的成像通常需要幾天的時間。

VISoR技術成像的小鼠腦片 深圳先進院供圖

「一個小鼠腦大概是指頭大小，而跟人腦更接近的獼猴腦有拳頭的大小，是它的200多倍。」徐放說。因此，如果用同樣精度進行成像，就需要幾年甚至數十年才能完成一個獼猴大腦或者人腦的成像。

由畢國強團隊歷時數年自主研發的VISoR高分辨全腦三維顯微成像技術，實現了無模糊的連續運動成像方法，避免了傳統成像方式反覆切換視野的時間，因此極大提高了成像速度，能在兩小時內完成亞微米解析度的鼠腦全腦成像，是其他成像方法的十倍到百倍。「速度的提升讓我們可以用這項技術可以對大批量的模型動物進行全腦三維成像分析，也可以使得對獼猴腦乃至人腦的精細腦解析成為可能。」畢國強道。

解密突觸「黑匣子」

大腦中每個神經細胞通過上千個微小的「突觸」與其他神經細胞相互連接。這些突觸是大腦行為、意識、學習與記憶等功能的最基本結構與功能單元，同時也是多種腦疾病發生的起源地。精確解析突觸中的蛋白分子結構和組織架構、及其在神經活動或異常過程中的變化是解密大腦奧妙的一個關鍵環節，也是腦科學與腦疾病研究中最基礎的核心研究方向之一。突觸的大小在幾百納米的尺度，突觸蛋白更在幾納米尺度，由於體積非常小，缺乏有效的研究手段，近年來對神經突觸結構的研究一直很難突破。

抑制性突觸中受體等蛋白分子與細胞器組織分布的三維可視化 深圳先進院供圖

「突觸在光學顯微鏡下通常只有幾個像素的大小，但是實際上裡面的分子結構非常複雜和精密，目前在很大程度上仍舊是一個『黑匣子』。」中心副研究員陶長路說。他和中心正高級工程師張小康主要研究方向就是打開這個「黑匣子」，對突觸內部蛋白質結構進行成像和解析。

最新冷凍電鏡（cryoEM）技術的發展使得對蛋白質最微小部分的解析成為可能，然而對蛋白質等生物大分子結構與功能的研究以及藥物效能及作用靶點的探究，最終要回歸到蛋白質所處的生理環境——細胞原位。中心發展的前沿冷凍電鏡斷層原位成像技術（cryoET）與關聯顯微成像技術，就可以對保存在近生理狀態下細胞/組織樣本進行三維成像，也就是說可以實現細胞原位環境中蛋白質的成像，這為突觸超微結構與功能這一「黑匣子」的解密邁出了關鍵的一步。

十年磨一劍 賦能大灣區

創新基礎科學研究非常依賴前沿技術的發展，但進行前沿技術的研發並不容易，從畢國強回國在中國科學技術大學微尺度國家研究中心組建團隊到團隊第一次取得重要技術突破，這一過程長達十年。十年間，團隊堅持兩路並行研究，終於，團隊不僅成功研發出VISoR成像技術，而且完成目前世界上首次公開的「猴腦全腦圖譜」，獲得了領域內的廣泛關注。團隊還研發出新型冷凍光電關聯顯微成像技術，在國際上開創性地開展了基於冷凍電鏡與關聯顯微成像技術的神經突觸超微結構與功能研究，本文開篇所提正是其最新研究成果。

「這樣的成果離不開團隊的共同努力，也離不開團隊追求原創、不輕言放棄的科研精神。」孫堅原說。他表示中心團隊的目標是五到十年內成為國際同領域一流團隊，十到二十年內成為開創新領域的國際頂尖團隊。為了達成這個目標，團隊還在廣納優秀的交叉學科人才。

「我們不僅要聚集人才，未來還將培養人才」，孫堅原道。據悉，中心不僅將在由腦所牽頭的腦解析與腦模擬重大科技基礎設施中扮演重要角色，還將協助籌建中的中國科學院深圳理工大學（暫定名）生命健康學院建設智能交叉科學中心，為粵港澳大灣區和國家培養跨學科複合型人才。「未來，中心將協同深港腦院與深圳腦設施建立一個開放共享的平臺，在大學培養交叉學科人才，並努力探索發展出新學科新領域。」 腦所所長王立平表達了他對中心未來發展的期望。