人類大腦是一個(gè)非常復(fù)雜的組織，要理解大腦的工作原理首先要了解其中的細(xì)胞種類和神經(jīng)聯(lián)接規(guī)律，近日中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布系列成果給大腦繪制“高清地圖”。

7月10日深夜，中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布介觀腦圖譜系列成果，實(shí)現(xiàn)從嚙齒類到靈長(zhǎng)類大腦的跨越。10項(xiàng)成果以專題論文集的形式集中發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《發(fā)育細(xì)胞》。

這些成果由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所，下稱“腦智卓越中心”）、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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)以及法國(guó)、瑞典、英國(guó)等多國(guó)科學(xué)家共同完成。

腦智卓越中心對(duì)第一財(cái)經(jīng)介紹，本次腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃系列成果由國(guó)內(nèi)外30多家科研機(jī)構(gòu)組成的超過300人的團(tuán)隊(duì)共同完成，展現(xiàn)了國(guó)際團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)的能力和成果，標(biāo)志著腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。此次十項(xiàng)系列成果，上海的科學(xué)家牽頭了其中五項(xiàng)科研成果。

大科學(xué)計(jì)劃重磅進(jìn)展

在中國(guó)國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃和大科學(xué)工程等國(guó)家戰(zhàn)略的指引下，科技部將“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃（下稱“腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃”）作為重點(diǎn)培育的國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃之一。

2020年9月在上海舉行的“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃國(guó)內(nèi)前期工作啟動(dòng)會(huì)上，中國(guó)工作組宣告成立，并提出了“力爭(zhēng)在2025年完成小鼠、2035年完成獼猴的全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制”的目標(biāo)。

自啟動(dòng)培育以來，結(jié)合國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢(shì)和當(dāng)前技術(shù)水平發(fā)展?fàn)顩r，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃的核心目標(biāo)逐步聚焦在繪制非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人腦全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜。在該戰(zhàn)略布局下，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、海南大學(xué)、華大生命科學(xué)研究院、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等國(guó)內(nèi)核心機(jī)構(gòu)正在牽頭，與全球頂尖科研機(jī)構(gòu)及科學(xué)家開展深度合作，共同籌建“國(guó)際靈長(zhǎng)類介觀腦圖譜聯(lián)盟”，推進(jìn)了腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃在總體目標(biāo)、國(guó)際分工和管理機(jī)制等方面形成國(guó)際共識(shí)，并將進(jìn)一步整合技術(shù)、平臺(tái)、人員、數(shù)據(jù)等資源，形成更大規(guī)模的跨機(jī)構(gòu)科研合作團(tuán)隊(duì)，加快推動(dòng)腦圖譜研究進(jìn)程。

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士介紹，2021年中國(guó)啟動(dòng)腦計(jì)劃，其中在幾十個(gè)項(xiàng)目中有兩個(gè)項(xiàng)目專門支持腦圖譜，雖然數(shù)量不多，但是整個(gè)進(jìn)展非常好。一個(gè)是制作小鼠腦圖譜，另一個(gè)是制作獼猴的腦圖譜。

蒲慕明說，原本中國(guó)腦計(jì)劃的成立目標(biāo)是一體兩翼，一體是指在基礎(chǔ)研究上進(jìn)行大規(guī)模布局，兩翼是應(yīng)用的兩翼，一邊是對(duì)腦疾病的診斷治療，基于我們對(duì)基礎(chǔ)腦科學(xué)的理解，研發(fā)早期診斷和早期干預(yù)腦疾病的方案。另一翼的應(yīng)用方面，即腦機(jī)接口和類腦人工智能。

他10日接受第一財(cái)經(jīng)采訪時(shí)說，目前他們正在推薦發(fā)起全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃，已經(jīng)準(zhǔn)備了五六年，這項(xiàng)工作在上海市科委的支持下進(jìn)行，初期已經(jīng)獲得科技部批準(zhǔn)，并成立了國(guó)內(nèi)工作組。國(guó)際工作組也將在今年9月與國(guó)內(nèi)工作組合作，計(jì)劃成立國(guó)際介觀腦圖譜研究聯(lián)盟。該聯(lián)盟的目標(biāo)是針對(duì)靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人的腦圖譜研究，與美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行的小鼠圖譜研究相比，這是下一個(gè)重要的圖譜研究領(lǐng)域。

“因此我們聯(lián)盟的目標(biāo)是至少10到15年內(nèi)完成靈長(zhǎng)類腦圖譜，這是一項(xiàng)艱巨的工作，需要國(guó)際合作。目前已經(jīng)有20多個(gè)國(guó)家，近百位科學(xué)家有意加入聯(lián)盟一起工作。靈長(zhǎng)類的研究對(duì)我們理解人類大腦的功能以及人類腦疾病的機(jī)理研究，更有價(jià)值。”

10個(gè)系列成果有何意義

蒲慕明介紹，在一般醫(yī)院中，腦影像的分辨率非常低，無法得到非常明確的單細(xì)胞層面的連接情況。因此，目前神經(jīng)科學(xué)界和腦科學(xué)界的一個(gè)重大題目是將細(xì)胞種類之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析清楚，這稱為介觀圖譜。介觀的意思是分辨率需要達(dá)到微米層面，而一個(gè)細(xì)胞體的大小差不多10微米，因此我們只有達(dá)到微米層面才能夠了解細(xì)胞之間的連接是如何產(chǎn)生的。因此，腦圖譜研究?jī)?nèi)容包括細(xì)胞類型，細(xì)胞種類如何分布，以及細(xì)胞之間連接網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，是他們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域最主要的工作。

本次集中發(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(guó)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，為深入解密大腦提供了全新視角與關(guān)鍵手段。

其中，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、上海腦科學(xué)與類腦研究中心劉真研究員和腦智中心孫怡迪研究員、臨港實(shí)驗(yàn)室李昊研究員等合作建立了多組學(xué)增強(qiáng)子預(yù)測(cè)系統(tǒng)、獼猴在體篩選和多維驗(yàn)證系統(tǒng)，鑒定得到能夠特異性標(biāo)記獼猴皮層不同層興奮性神經(jīng)元、三種抑制性神經(jīng)元亞型及膠質(zhì)細(xì)胞的增強(qiáng)子，并生成112種細(xì)胞特異性AAV載體工具集，突破了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因模型的局限性，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。

中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心劉真研究員在介紹成果時(shí)說，在我們的靈長(zhǎng)類大腦里有成百上千種細(xì)胞，它們相互之間連接組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，那么這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就是我們大腦執(zhí)行功能的基礎(chǔ)。

當(dāng)知道有這些細(xì)胞類型、知道它們的連接之后，如果想要它的功能就有一個(gè)非常關(guān)鍵的鴻溝——這些不同的細(xì)胞類型相互之間連接組成的網(wǎng)絡(luò)，所以就需要研究在網(wǎng)絡(luò)中、在不同行為認(rèn)知過程中，大腦的哪些細(xì)胞是怎么相互協(xié)調(diào)來發(fā)揮功能的。“所以需要有一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)能夠把不同的細(xì)胞類型都能給標(biāo)記出來。”

蒲慕明談到追蹤細(xì)胞的技術(shù)難度時(shí)說，追蹤一個(gè)細(xì)胞需要很多人共同工作，每個(gè)人至少需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行追蹤一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的投射譜。在熒光標(biāo)記之后，細(xì)胞追蹤還不能完全自動(dòng)化，需要做人做決策，因?yàn)檫B接有時(shí)可能會(huì)斷掉。如何做決定它們是否是同一根軸突，需要幾個(gè)人一起對(duì)同一個(gè)細(xì)胞的軸突走向得到共識(shí)，這需要有一套程序，所有需要花費(fèi)大量功夫才能完成幾千個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的成像追蹤。

腦圖譜首先需要確定所有細(xì)胞種類，基本上5年內(nèi)確定靈長(zhǎng)類所有細(xì)胞的種類沒有問題。在確定各種細(xì)胞種類之后，你需要了解哪些種類的細(xì)胞與哪些種類的細(xì)胞產(chǎn)生連接，這就是追蹤神經(jīng)連接。追蹤需要花費(fèi)很大的時(shí)間。獼猴所有腦區(qū)的各種種類中大約有1000種細(xì)胞，靈長(zhǎng)類有幾十個(gè)億的細(xì)胞。但是如果做每一種類型幾百個(gè)有代表性的細(xì)胞，就可以大致了解這種類型的投射模式。因此在上千個(gè)種類的神經(jīng)細(xì)胞與各個(gè)腦區(qū)的連接能夠畫出有代表性的路線圖，相信獼猴神經(jīng)連接圖譜在10年之內(nèi)有希望完成。