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近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學(xué)研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院、鄭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)，聯(lián)合法國、瑞典、英國等多國科學(xué)家，借助腦成像、空間轉(zhuǎn)錄組和人工智能等前沿技術(shù)，深入解析了大腦細(xì)胞類型多樣性、聯(lián)接規(guī)律、發(fā)育進(jìn)化規(guī)律及腦疾病分子機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了從嚙齒類到靈長(zhǎng)類的介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制的跨越。十項(xiàng)重要成果在《細(xì)胞》（Cell）、《神經(jīng)元》（Neuron）等國際學(xué)術(shù)期刊上集中發(fā)表，系列成果進(jìn)一步鞏固了我國在介觀腦圖譜領(lǐng)域的國際影響力。

大腦智能起源于神經(jīng)細(xì)胞的多樣性、神經(jīng)聯(lián)接的復(fù)雜性，探究其本質(zhì)是腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。為破解感知、運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)記憶和決策等重要腦功能的運(yùn)作密碼，腦圖譜研究致力于繪制高精度的“大腦地圖”——精確定位神經(jīng)細(xì)胞、解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接規(guī)律，從而為理解腦功能機(jī)制、攻克腦疾病及研發(fā)類腦智能提供重要支撐。

自神經(jīng)科學(xué)前驅(qū)拉蒙-卡哈爾創(chuàng)立神經(jīng)元學(xué)說以來，繪制精細(xì)人腦圖譜一直是科學(xué)界的終極目標(biāo)之一。哺乳動(dòng)物大腦的復(fù)雜性超乎想象，人腦包含近千億神經(jīng)元和上萬億神經(jīng)連接，其高度的多樣性、動(dòng)態(tài)演化特性和物種差異，為全面解析“大腦奧秘”帶來了巨大挑戰(zhàn)。單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序、高通量全腦成像、新型生物信息學(xué)工具和人工智能等技術(shù)突破，正為繪制精細(xì)腦圖譜進(jìn)而理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本組織原則提供強(qiáng)大支撐。

此次集中發(fā)布的系列成果覆蓋爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長(zhǎng)類和人類等關(guān)鍵物種，整合了轉(zhuǎn)錄組、聯(lián)接組等多模態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步擴(kuò)充了國際腦圖譜在跨物種比較和時(shí)空動(dòng)態(tài)解析方面的內(nèi)涵；與以往成果的點(diǎn)上突破不同，本次系列成果以“自主技術(shù)迭代”為牽引，推進(jìn)建立了從“環(huán)路解析-進(jìn)化解密-疾病解碼”的研究體系，有望推動(dòng)實(shí)現(xiàn)從“結(jié)構(gòu)到功能”的質(zhì)的跨越，為解密大腦提供了全新視角與關(guān)鍵手段。

1、腦圖譜賦能神經(jīng)環(huán)路功能解析。近期成果在神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制技術(shù)，感知、意識(shí)與記憶等關(guān)鍵腦功能的神經(jīng)環(huán)路解析上取得系列突破。在技術(shù)開發(fā)方面，基于此前自主研發(fā)的首次實(shí)現(xiàn)獼猴全腦微米分辨三維成像的超高速VISoR技術(shù)，進(jìn)一步開發(fā)了blockface-VISoR成像系統(tǒng)，結(jié)合優(yōu)化的全身透明化流程ARCHmap，實(shí)現(xiàn)了40小時(shí)內(nèi)成年小鼠全身均一微米分辨三維成像，解析了全身不同類型周圍神經(jīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，建立了周圍神經(jīng)聯(lián)接圖譜研究的新范式；率先建立靈長(zhǎng)類大腦神經(jīng)細(xì)胞類型特異性標(biāo)記、神經(jīng)活性調(diào)控及觀測(cè)的工具集，突破了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因模型的局限性，為探討靈長(zhǎng)類腦結(jié)構(gòu)、腦認(rèn)知及未來精準(zhǔn)靶向腦疾病治療提供了關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著靈長(zhǎng)類腦科學(xué)進(jìn)入了精準(zhǔn)細(xì)胞類型研究新階段。在感知方面，利用病毒示蹤、亞微米分辨連續(xù)精準(zhǔn)三維成像技術(shù)（fMOST）和單細(xì)胞重構(gòu)技術(shù)，全面揭示了小鼠脊髓投射神經(jīng)元與腦內(nèi)中繼神經(jīng)元的投射模式及聯(lián)接規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其通過“并行-發(fā)散-匯聚”模式構(gòu)建“信息高速公路”，為理解疼痛、瘙癢、觸覺等的感知機(jī)制提供全新結(jié)構(gòu)框架。在意識(shí)基礎(chǔ)方面，發(fā)現(xiàn)獼猴屏狀核內(nèi)部在前后軸方向存在廣泛聯(lián)系，與小腦外所有皮層和皮層下腦區(qū)相連，是大腦的連接中樞，為理解靈長(zhǎng)類意識(shí)產(chǎn)生的多模態(tài)信息整合機(jī)制奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在認(rèn)知決策的神經(jīng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方面，利用自主研發(fā)的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續(xù)精準(zhǔn)三維成像技術(shù)（LV-fMOST）和Gapr神經(jīng)元追蹤系統(tǒng)，重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中主要亞區(qū)的2231個(gè)投射神經(jīng)元，揭示了獼猴前額葉皮層存在“精簡(jiǎn)高效”神經(jīng)聯(lián)接模式，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)、模塊化的信息處理策略，為剖析靈長(zhǎng)類高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制提供了基本框架。

2、腦圖譜賦能腦進(jìn)化與發(fā)育特性解析。科研人員利用Stereo-Seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，在細(xì)胞類型及神經(jīng)聯(lián)接的演化上，通過比較進(jìn)化關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)物種（龜、鳥、小鼠、獼猴等）端腦與小腦細(xì)胞圖譜，揭示GABA能神經(jīng)元在脊椎動(dòng)物的演化中高度保守，同時(shí)發(fā)現(xiàn)鳥類小腦特異性地存在與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的浦肯野細(xì)胞亞型，在時(shí)空維度上解析了羊膜動(dòng)物腦細(xì)胞類型的演化軌跡，為揭示生命智慧涌現(xiàn)的底層規(guī)律建立了全新研究范式；發(fā)現(xiàn)獼猴屏狀核存在4個(gè)亞區(qū)，且不同亞區(qū)存在特定的靈長(zhǎng)類特異細(xì)胞類型，并與大腦不同的功能腦區(qū)相聯(lián)接，揭示了屏狀核在進(jìn)化過程中的重要擴(kuò)展和特化。在演化與發(fā)育的關(guān)系層面上，首次繪制小鼠腦發(fā)育時(shí)空基因表達(dá)圖譜，為大腦發(fā)育研究提供了全面的時(shí)空轉(zhuǎn)錄組資源，還為神經(jīng)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制研究提供了新思路；揭示了哺乳動(dòng)物下丘腦在模式生成機(jī)制和神經(jīng)元譜系等方面的進(jìn)化保守性，發(fā)現(xiàn)了人類下丘腦神經(jīng)元在四個(gè)方面的進(jìn)化特征，為理解下丘腦發(fā)育、功能、疾病及演化奠定了理論基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了靈長(zhǎng)類軸突終末覆蓋精準(zhǔn)度顯著高于小鼠，具備更高效的空間特異性信息處理，顛覆了“腦容量擴(kuò)大伴隨神經(jīng)元聯(lián)接擴(kuò)張”的傳統(tǒng)認(rèn)知。

3、腦圖譜賦能腦疾病機(jī)制解析。研究人員利用Stereo-Seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，首次繪制正常人及阿爾茨海默病（AD）患者海馬的單細(xì)胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄圖譜，發(fā)現(xiàn)了病理性小型膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞在海馬傘區(qū)域的高度富集及細(xì)胞通訊增強(qiáng)，解析了Aβ微環(huán)境分子變化，為AD病理研究提供了更精細(xì)、系統(tǒng)的分子機(jī)制解析，并為AD的早期診斷提供了新的可能性；首次繪制小鼠腦出血后超急性期至恢復(fù)期的時(shí)空動(dòng)態(tài)分子圖譜，揭秘腦出血損傷與修復(fù)進(jìn)程，闡明了以膠質(zhì)細(xì)胞為代表的多種細(xì)胞類型在組織損傷與修復(fù)過程中的關(guān)鍵作用，為新藥開發(fā)和精準(zhǔn)治療提供了重要參考。

“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃（以下簡(jiǎn)稱“腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃”）是科技部重點(diǎn)培育的國際大科學(xué)計(jì)劃之一。當(dāng)前，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃的研究目標(biāo)已從小型動(dòng)物邁進(jìn)到繪制非人靈長(zhǎng)類介觀腦圖譜的關(guān)鍵階段，穩(wěn)步向著繪制人腦介觀圖譜的最高目標(biāo)邁進(jìn)。

下一步，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃將依托腦圖譜研究國際聯(lián)盟，持續(xù)擴(kuò)大國際合作，積極拓展與“一帶一路”、“金磚國家”等的交流合作；建立腦圖譜技術(shù)共享平臺(tái)，推動(dòng)同步輻射X射線神經(jīng)示蹤技術(shù)、單細(xì)胞時(shí)空多組學(xué)技術(shù)、AI算法和系統(tǒng)等新技術(shù)研發(fā)；整合大腦細(xì)胞圖譜、聯(lián)接圖譜和不同尺度或分辨率的多模態(tài)數(shù)據(jù)，建立AI輔助的數(shù)據(jù)采集、分析、解釋和驗(yàn)證手段，構(gòu)建面向全球開放共享的“腦圖譜數(shù)據(jù)庫”，為探索人類大腦奧秘提供關(guān)鍵基礎(chǔ)，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“認(rèn)識(shí)腦、模擬腦、保護(hù)腦”的宏偉目標(biāo)。