交汇点讯 戴上VR设备“潜入”大脑深处，在宛若树根状缠绕的神经元中探寻，抽丝剥茧“捕捉”它们的正确路径。这不是体感游戏，这种“沉浸式观察”是重建大脑神经元的创新方式。近日，东南大学联合美国艾伦脑科学研究所及国内外多家单位合作，生成了目前世界上数目最大的小鼠1741个单细胞神经元的数据集，并鉴定了来自皮层、屏状核、丘脑和纹状体等脑区的11种主要的神经元投射类型，成果近日发表于国际顶级期刊《自然》。为何要建立如此庞大的神经元数据集？这项研究对人脑相关研究有何重要意义？《科技周刊》记者走进东南大学脑科学与智能技术研究院一探究竟。

喜怒哀乐，坐立行走，我们的行为离不开大脑的调控。而作为大脑行使功能的基本单位，神经元对我们所做、所想以及所感的一切负责，它的3D结构特征可以揭示脑内神经信号的流动，反映大脑的神经网络连接，也是鉴定神经元类别的重要参数。“正如我们仅观察洋葱切片看不见整个洋葱一样，我们重建神经元需要在全脑范围里来看，鉴定神经元的全脑形态，就好像鉴别一棵树的树根在哪里，顶端的树叶在哪里。”论文的共同第一作者、东南大学脑科学与智能技术研究院副研究员刘力娟告诉记者，由于人脑和小鼠大脑在基本结构和功能上的保守性（即存在相似性），这项研究以小鼠为实验对象，观察小鼠的神经元结构，为探索人脑结构和功能提供线索。“重建全脑神经元的意义在于它能够了解神经元的结构，进而分析神经元在大脑里发挥的功能。我们所熟悉的疾病，如老年痴呆、抑郁症以及精神分裂症等，其实都是大脑神经环路发生异常而导致的，因此鼠脑神经元的研究为解析人脑的神经元类别以及探索神经系统疾病提供了重要的信息。”

然而，如何高通量的重建全脑神经元长期处于瓶颈，导致科学家们对其多样性了解有限。数据显示，人类约有860亿个神经元，小鼠约有1亿个神经元，全脑神经元结构庞大。例如某些鼠脑皮层细胞可跨越至另一半球，且分枝繁多，总长度可达40cm左右；神经元分枝间的交错以及标记信号的微弱等因素都让快速准确重建神经元变得十分困难。《科技周刊》记者了解到，此次研究中，中国科学院院士骆清铭教授以及华中科技大学龚辉教授团队完成了基于荧光显微光学切片断层成像系统的高分辨率小鼠全脑图像采集，东南大学团队则负责大部分全脑神经元的数据生产，以及后续数据处理管理与分析工作。

“尽管小鼠的大脑只有成人指甲盖大小，但鼠脑图像数据集体量可达15-20T，这也导致我们日常所用的图像运行软件很难流畅运行，为此我们研发了三维可视化平台Vaa3D-TeraVR。”刘力娟介绍，借助平台上的VR模块，研究人员带上VR眼镜便可以“进入”大脑内部，密密麻麻的神经元结构就像交叉缠绕的树根，直观立体地展现在眼前。“当面对森林里的100棵树时，我们就只选择自己感兴趣的，并将它们画下来。面对繁杂的神经元时也是一样，我们会选择性地对它们进行标记，获得数据集体量大，想要统一分析神经元形态的大数据，我们还开发了配准算法mBrainAligner，将数据集等配准至标准脑模版上。”

刘力娟介绍，通过选择性的脑区标记，团队在收集到的数据集上进行分析，并鉴定了来自皮层、屏状核、丘脑和纹状体等脑区的11种主要的神经元投射类型。“投射类型指的是神经元发出和运送信号的目的点，不同的投射区域代表着不同的投射类型。在这11种神经元投射类型中，我们发现拥有同样的转录组信息的神经元，投射目的地却具有有很大差别；此外，神经元的多样性同样也会带来新的投射类型和新的潜在环路。”刘力娟说，人脑神经元的研究尚处于起步阶段，此次建成小鼠神经元数据集对人脑结构和功能有着重要参考价值，团队下一步还将针对小鼠的神经系统功能异常模型进行神经元结构对比分析以及相关神经环路的深入研究。“目前而言，我们只标记了神经元信号传输的起始点和目的点，但与某一神经元相连的下游神经元具体是什么仍不清楚，这也是未来团队致力探索的方向。”

新华日报·交汇点记者 谢诗涵

编辑: 蒋明睿