給大腦迅速繪製高清地圖,深圳先進院參與完成世界首幅猴腦全腦圖譜

2020-11-26 騰訊網

讀創/深圳商報記者 袁斯茹

在深圳先進院腦認知與腦疾病研究所，有一條特別的畫廊，陳列著一幅幅色彩鮮明的畫作。這些作品不是出自哪位藝術家之手，而是大腦的成像圖。科學家們利用磁共振、冷凍電鏡等技術，將這一經自然界億萬年進化的手筆還原，比藝術作品更多了一絲神秘。其中，由深圳先進院腦信息中心參與完成的「猴腦全腦圖譜」，為目前世界上公開的第一幅。

△腦信息中心的「藝術」畫廊

近日，深圳商報記者走進腦信息中心。中心主任畢國強表示，團隊歷時數年自主研發的高分辨全腦三維顯微成像技術（VISoR），成像速度是其他方法的十倍到百倍。

△VISoR技術成像的小鼠腦片（楊朝宇製作）

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。」中心徐放副研究員告訴記者。

記者在中心看到，一間實驗室中擺放著三臺設備，這是團隊自主研發的腦圖譜成像儀器。

△VISoR成像儀器

此前的技術完成一隻鼠腦的成像，通常需要幾天的時間，而與人腦接近的獼猴腦體積是鼠腦的200多倍，如果用同樣精度進行成像，需要幾年甚至數十年才能完成。

畢國強說，團隊自主研發的VISoR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，極大提高了成像速度。使用集成了這一技術的設備，能在兩小時內完成亞微米解析度的鼠腦全腦成像，是其它成像方法的十倍到百倍。「速度的提升讓大批量的模型動物全腦三維成像成為可能，更能對獼猴腦乃至人腦進行精細解析。」畢國強介紹道。

精度達到頭髮絲的兩千分之一

有了技術加持，團隊將目光投向了大腦中以體積小著稱的「突觸」。

大腦的上千億個神經細胞，每一個都由上千個微小的「突觸」進行連接。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。因此，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。

但突觸的大小只有幾百納米，突觸蛋白只有幾納米，由於體積小而其分子結構複雜，目前突觸對科學界來說更像一個「黑匣子」。

為此，團隊「兵分兩路」，在重構完整的腦圖譜同時，研發對腦神經突觸在分子乃至原子水平的超微解構解析，做到「既見森林，又見樹木，還見樹葉」。

中心副研究員陶長路介紹道，目前的冷凍電鏡技術可以對蛋白質最微小部分進行解析，但在蛋白質的生物大分子研究中，保存其生理狀態成為難點。為此，中心將冷凍電鏡斷層原位成像技術（cryoET）與顯微成像技術結合，克服了這一問題，將神經突觸的成像精度提高到了2納米，相當於一根頭髮絲的兩千分之一。

△腦神經突觸的三維可視化

利用這一方法，近日，中心聯合中國科學技術大學、美國加州大學洛杉磯分校，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-神經科學雜誌》。

如今，腦科學相關的大量數據正在產生，如何分析並利用這些數據成為焦點，腦信息中心正致力於此。「未來，中心將協同相關單位，建立開放共享的平臺，努力探索發展出新的學科領域。」深圳先進院腦所所長王立平如此表達他對中心未來發展的期望。

（受訪者供圖）

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