北京時間7月10日23時，《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《發(fā)育細(xì)胞》期刊在線發(fā)布了由上海科研機(jī)構(gòu)牽頭，聯(lián)合國內(nèi)8家機(jī)構(gòu)以及法國、瑞典、英國等國科學(xué)家取得的多項腦科學(xué)研究成果。作為國際頂級科學(xué)期刊，《細(xì)胞》以封面形式刊登“中國腦計劃”系列成果，足見其含金量之高。

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱“中國科學(xué)院腦智卓越中心”）學(xué)術(shù)主任蒲慕明介紹，“中國腦計劃”團(tuán)隊利用高精度光學(xué)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)律和腦疾病分子機(jī)制，在單細(xì)胞分辨率下，實(shí)現(xiàn)了介觀腦圖譜繪制從嚙齒類動物到靈長類動物的跨越。

這些基礎(chǔ)研究突破，為科學(xué)家破解腦功能機(jī)制、攻克腦疾病、研發(fā)類腦智能提供了重要支撐。

最新一期《細(xì)胞》雜志封面

美歐日中先后啟動腦計劃

大腦和宇宙一樣，還存在大量未解之謎。哺乳動物大腦的復(fù)雜性超乎想象，其中最復(fù)雜的人腦，包含近1000億個神經(jīng)元和上萬億神經(jīng)連接，為全面解析大腦的結(jié)構(gòu)和功能帶來了巨大挑戰(zhàn)。

繪制精細(xì)人腦圖譜，一直是科學(xué)界的終極目標(biāo)之一。隨著單細(xì)胞多組學(xué)測序、高通量全腦成像、生物信息學(xué)工具和人工智能等技術(shù)突破，繪制精細(xì)的靈長類動物腦圖譜，已成為科學(xué)界的近期目標(biāo)。

據(jù)了解，腦圖譜研究是美國、歐盟、日本和中國腦計劃的重要組成部分，國際競爭激烈。美國在2013年啟動的腦計劃布局了腦圖譜研究相關(guān)技術(shù)，已研發(fā)出成熟的單細(xì)胞和空間多組學(xué)技術(shù)，發(fā)布了多批腦圖譜成果。日本腦計劃于2014年啟動，主要聚焦狨猴研究，其中狨猴腦圖譜開發(fā)是核心任務(wù)之一。歐盟于2013年啟動的腦計劃聚焦腦模擬研究，10年投入約6億歐元，但未能實(shí)現(xiàn)其預(yù)設(shè)的大規(guī)模“模擬腦”目標(biāo)。

與美、歐、日相比，“中國腦計劃”起步較晚，于2021年正式啟動，以腦認(rèn)知原理為研究主體，以腦重大疾病研究和類腦智能研發(fā)為“兩翼”。我國科研團(tuán)隊開發(fā)了熒光顯微光學(xué)切片斷層成像、高通量三維熒光快速成像、時空轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)等領(lǐng)先技術(shù)，在國際上率先繪制出單細(xì)胞分辨率下的靈長類介觀腦圖譜。

“這是中國生命科學(xué)領(lǐng)域規(guī)模最大的合作項目，共有來自30多家單位的幾百名科研人員參與。”蒲慕明說，“我們針對重大前沿科學(xué)問題聯(lián)合攻關(guān)，終于取得了一系列重要成果。”

解析靈長類高級認(rèn)知腦區(qū)

在《細(xì)胞》雜志發(fā)表的論文中，“獼猴前額葉皮層神經(jīng)元全腦投射圖譜”引人注目。中國科學(xué)院腦智卓越中心研究員嚴(yán)軍介紹，靈長類動物的前額葉皮層是負(fù)責(zé)高級認(rèn)知功能的最關(guān)鍵腦區(qū)，但其神經(jīng)聯(lián)接規(guī)律仍不清楚。他們利用華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院研發(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)、課題組自主研發(fā)的GAPR神經(jīng)元追蹤系統(tǒng)，獲取并重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中2231個神經(jīng)元的全腦投射圖譜。

經(jīng)過系統(tǒng)分析，他們發(fā)現(xiàn)了32種投射神經(jīng)元亞型，刻畫了每種亞型的胞體分布模式、軸突靶向通路、軸突末梢分支形態(tài)。與小鼠相比，獼猴前額葉神經(jīng)元具有高度的靶向?qū)Ｒ恍浴⒏俚妮S突分支和更集中的末梢分布。

中國科學(xué)院腦智卓越中心介觀腦圖譜研究團(tuán)隊

美國科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所所長羅伯特·德西蒙（Robert Desimone）稱這項成果是中國科研團(tuán)隊的“杰作”，因?yàn)樗侨蚴讉€靈長類動物的單神經(jīng)元投射圖譜。“這一靈長類前額葉皮層及其連接的‘線路圖’，對我們進(jìn)一步理解健康和疾病狀態(tài)下的認(rèn)知功能非常重要。”

不僅如此，獼猴腦圖譜對新一代人工智能研發(fā)也具有重要價值。嚴(yán)軍解釋：“我們發(fā)現(xiàn)，靈長類大腦中神經(jīng)元之間采用的是專一、精準(zhǔn)的連接方式，不同區(qū)域之間通過明確的功能模塊各司其職，形成高效而有組織的信息處理網(wǎng)絡(luò)。如果將這種設(shè)計理念應(yīng)用到硅基系統(tǒng)中，或許能讓人工智能對信息的處理更像人腦在思考，在任務(wù)切換、注意力控制、邏輯推理等方面的表現(xiàn)也會更接近人腦。”

為破解意識產(chǎn)生之謎奠基

在人類大腦深處，隱藏著一個薄如紙片的神秘結(jié)構(gòu)——屏狀核。其重要性不亞于前額葉皮層，因?yàn)樗赡苁且庾R產(chǎn)生的關(guān)鍵腦區(qū)。2005年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主弗朗西斯·克里克和克里斯托夫·科赫提出假說：屏狀核通過其廣泛的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，將來自不同感覺模態(tài)和認(rèn)知功能的信息進(jìn)行整合，從而產(chǎn)生統(tǒng)一的意識體驗(yàn)。

為了破解大腦意識產(chǎn)生之謎，中國科學(xué)院腦智卓越中心聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院、法國國家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、騰訊AI實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)，采用“單核轉(zhuǎn)錄組測序+時空轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)”，繪制出獼猴屏狀核單細(xì)胞分辨率的時空圖譜。這是全球首個非人靈長類屏狀核時空圖譜，揭示了獼猴屏狀核中每個腦細(xì)胞的基因信息，并為它們標(biāo)注了“住址”。相關(guān)論文已發(fā)表在《細(xì)胞》上。

獼猴屏狀核單細(xì)胞分辨率的時空圖譜

“這項研究對腦功能理解產(chǎn)生的影響是多方面的。”中國科學(xué)院腦智卓越中心研究員沈志明說，它為意識研究提供了堅實(shí)的細(xì)胞和分子基礎(chǔ)，通過詳細(xì)描繪屏狀核的細(xì)胞組成和聯(lián)接模式，讓科研人員能更精確地測試和驗(yàn)證關(guān)于意識產(chǎn)生機(jī)制的各種假說，為理解復(fù)雜認(rèn)知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)提供了新的視角。

在醫(yī)療領(lǐng)域，基于屏狀核圖譜的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方法有望為意識障礙患者的診斷和治療帶來重要改變。通過精確調(diào)控屏狀核的活動，未來可能實(shí)現(xiàn)對大腦整體狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)，為抑郁癥患者調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)提供新的技術(shù)路徑。

在教育領(lǐng)域，通過深入了解屏狀核在注意力、記憶整合和抽象思維中的作用機(jī)制，未來可能開發(fā)出更有效的認(rèn)知訓(xùn)練方法，提高人們的學(xué)習(xí)效率和思維能力。

《細(xì)胞》審稿人寫道：“這項研究令人印象深刻且意義重大。”在探索大腦意識產(chǎn)生機(jī)制的道路上，中國科學(xué)家邁出了關(guān)鍵一步。

原標(biāo)題：《“中國腦計劃”系列成果登上《細(xì)胞》封面，通向大腦意識之謎和新一代人工智能》

欄目主編：黃海華

作者：解放日報 俞陶然