最完整的靈長類動物大腦圖譜問世

陳冰

大腦雖然僅僅只有三磅重量卻是如此的神秘而神奇。作為人類探索自然的最后兩處圣地之一，大腦已經(jīng)成為人類理解世界和探尋自身的終極疆域。

為什么理解大腦如此困難？

因為它是人類最復雜的器官之一，具有許多不同的結構和功能。它擁有數(shù)以億計的神經(jīng)元，使得大腦形成了結構異常復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡。這些神經(jīng)元通過神經(jīng)元之間的連接（突觸）讓人類得以感覺、思考、記憶，但它們究竟是怎么交流和傳遞信息的，人類還所知甚少。大腦采用并行處理的方式運行，即多個區(qū)域同時參與不同的功能處理，而且，隨著任務不同，神經(jīng)元的活動是動態(tài)變化的。再加上大腦受遺傳、發(fā)育、環(huán)境等多種因素影響，這些因素的復雜性進一步加劇了理解大腦的困難程度。

腦智卓越中心副主任孫衍剛研究員指出，斑馬魚約有10萬個腦細胞，小鼠約有7000萬個腦細胞，與人類最接近的獼猴約有60億個神經(jīng)元，即便是在腦科學研究領域領先的美國，也只是完成了小鼠運動皮層細胞的分布圖譜，小鼠其他腦區(qū)尚未完全搞清楚。而要將數(shù)以億計的人類腦細胞及其工作原理解析清楚，需要全世界的科學家共同努力，才能完成這項浩大工程。

但科學的魅力往往在此——越是困難，越是迷人。

近日，我國科學家領銜的科研團隊，利用我國自主研發(fā)、國際領先的超高精度大視場空間轉錄組測序技術和高通量單細胞核轉錄組測序技術，在國際上首次獲取目前為止最完整的獼猴大腦全皮層基因表達數(shù)據(jù)，成功繪制了三維單細胞空間分布圖譜，揭示了細胞類型的組成和靈長類腦區(qū)層級結構之間的關系，為進一步研究各類神經(jīng)元之間的連接提供了分子細胞基礎。

7月12日晚，這項由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學研究所）與華大生命科學研究院、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心、騰訊人工智能實驗室、深圳國家基因庫、瑞典皇家理工學院和瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院等國內(nèi)外17家科研單位106人合作完成的科研成果，發(fā)布在國際頂級學術期刊《細胞》上。

據(jù)認為，將4200萬個獼猴腦細胞繪制成一張前所未有的靈長類動物大腦圖譜，這一里程碑式的突破，堪比元素周期表、人類基因組序列誕生！

從獼猴入手，破譯大腦

靈長類大腦神經(jīng)細胞數(shù)量巨大，它們相互連接形成了復雜而精細、支撐高級認知和行為的特定神經(jīng)環(huán)路；這些細胞和環(huán)路的異常又導致了許多腦疾病。大腦由哪些細胞組成、這些細胞的空間分布有什么規(guī)律，是腦科學的基本問題。

與其他物種相比，靈長類動物具有更高的認知和社會能力，同時具有更大的皮層和更多細胞類型。由于進化上的相近，它們與人類具有約95%的遺傳物質同源性和最接近的基因背景及表型特征，是許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究最合適甚至是唯一的模型動物。獼猴，作為演化中離人最近的動物，引起了腦科學家的關注——它只有60億個神經(jīng)元，在體積與功能上與人腦接近，解析猴腦皮層中細胞的組成及其空間分布規(guī)律對于闡明靈長類大腦的組織規(guī)律至關重要。從獼猴腦研究入手破譯人類大腦的基本機制，成為全球腦科學研究的前沿熱點。

研究人員展示項目所消耗的芯片。

“現(xiàn)在的醫(yī)用腦CT精度可以達到毫米級，由此看到的是大腦的宏觀圖像，而我們要做的是在1微米至100微米的介觀尺度上，對腦細胞進行分類、看清其特征基因的空間分布和表達模式。”中國科學院院士、中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心學術主任蒲慕明說，這是腦科學研究的重要基礎。

研究團隊采用了一種新開發(fā)的大視野空間轉錄組方法，并結合任務需要，自主開發(fā)了一種制備獼猴大腦厘米尺度薄切片的方法，經(jīng)過兩年多的艱苦實驗和數(shù)據(jù)分析，最終獲得了目前最完整的靈長類大腦數(shù)據(jù)，并據(jù)此繪制出獼猴全皮層的三維單細胞空間分布圖譜。

中國科學院腦智卓越中心研究員李澄宇介紹，大腦圖譜包括細胞圖譜、連接圖譜和功能圖譜，解析大腦里的細胞類型及分布的是細胞圖譜；這些細胞連接而形成網(wǎng)絡，把網(wǎng)絡繪制出來的就是連接圖譜；剖析這些連接如何工作，則是功能圖譜?！把芯看竽X圖譜不僅可以幫助我們認識大腦疾病的機理，還能解析大腦功能原理，啟發(fā)下一代類腦人工智能?！?p>

通過細胞圖譜，他們發(fā)現(xiàn)，在不同腦區(qū)的大腦皮層中，各種腦細胞的分布有各自不同特點。更有趣的是，處于相同層級的腦區(qū)往往具有類似的細胞類型。此外，通過與人腦、鼠腦相關數(shù)據(jù)的跨物種比較，研究團隊還發(fā)現(xiàn)，多種靈長類特有的興奮性神經(jīng)元細胞分布于大腦皮層第四層，而且高度表達著多個與人類疾病相關的基因。

“繪制出獼猴腦細胞的分類圖譜，只是邁出了第一步?！逼涯矫魍嘎?，團隊將在三年內(nèi)發(fā)布獼猴腦細胞的結構圖譜，展示重要腦區(qū)的腦細胞連接圖像，“此后還將研究繪制獼猴的腦功能圖譜，對腦細胞進行動態(tài)監(jiān)測，觀察其電活動，從中尋找到規(guī)律，并實現(xiàn)操控”。

爭分奪秒的“時空芯片”實驗

可以毫不夸張地說，這是一個工程浩大的科學項目：從3只獼猴的左半腦中，獲取161張厚度10微米的切片，從中采樣超過4000萬個腦皮層細胞，數(shù)據(jù)量超過300T（1T相當于1000G）。

其實早在2017年，腦智卓越中心就開始建立獼猴的腦圖譜研究課題，但因為技術限制一直無法研究大尺寸腦切片的細胞空間圖譜，無法完成獼猴腦細胞全腦分布圖譜的繪制?！斑^去的實驗室技術很難同時獲得整個猴腦單細胞分辨率下的空間轉錄組?！崩畛斡钫f，他們曾經(jīng)嘗試過傳統(tǒng)方法，但一次監(jiān)測的細胞數(shù)太少，效率太低，根本無望完成這個規(guī)模宏大的研究項目。

一籌莫展之際，李澄宇從合作者那里聽說華大生命科學研究院自主研發(fā)了一種超高精度大視場空間轉錄組測序技術Stereo-seq，可使單細胞分辨率下的空間轉錄組監(jiān)測效率提升好幾個數(shù)量級?！叭绻f傳統(tǒng)空間組技術好比單反相機，僅能看清局部小范圍細節(jié)，那么這種新技術就像超高精度的對地遙感衛(wèi)星，既能看到城市全貌，又能看清道路、房屋，甚至車牌等細節(jié)?！?/p>

同時，華大的另一項自主研發(fā)技術“高通量單細胞核轉錄組測序技術DNBelab C4 snRNA-seq”，可同時對細胞中所有基因進行檢測，獲取大量基因轉錄組數(shù)據(jù)。

李澄宇立刻與蒲慕明院士一起，帶領科研骨干兩次造訪華大研究院。2021年除夕，兩個團隊深談之后一拍即合，大年初二就開工準備項目啟動，年初三確定項目目標及路線圖。

整個實驗需要在盡可能短的時間內(nèi)用一只獼猴全腦樣品完成所有實驗，以保證樣品的質量不會因為時間太長受到影響，為此，一塊小小的玻片，成為整個項目突破的關鍵，實驗人員需要讓僅有10微米厚的獼猴腦切片無褶皺、無氣泡地貼到檢測芯片上。

在經(jīng)歷了2輪壓力測試，所有人員都被用到極致之后，實驗方案最終確定——整腦預估要做130張左右的腦片，每天安排做24張腦片的芯片，分早上和下午兩輪（每輪12張），連續(xù)做五六天。每一張芯片都需要一個人進行全程的操作，這意味著光芯片操作階段就需要12個人同時實驗，整個實驗中切片不能有失誤，不能損失樣品。

實驗開始后，12個操作芯片的人嚴格按照時間表依次進行自己的實驗步驟，任何一個人的實驗拖延了時間，都會影響到其他人的操作。在下午的時間段，實驗人員要同時進行2張芯片不同階段的操作，不能混淆。

中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心的李超博士清晰記得，正式實驗時，是乍暖還寒的3月，幾十個人配合著做實驗，每天最后一道程序結束時已是凌晨一兩點。幾平方米的切片室，七八個人各司其職；顯微掃描室里，4臺顯微鏡下一張張圖像緩緩展開；樓道里，十幾個手拿芯片的實驗人員在各實驗室穿梭。為了趕時間，大家腳步匆匆，有時還要一路小跑，就連吃飯也只能掐著點匆匆地扒上幾口。如此高壓力下的實驗要連續(xù)五六天，為了不出錯，事先經(jīng)過了近一個月的培訓、練習和壓力測試?！按蠹叶急е粋€信念，熟練一些，再熟練一些，每個操作都要心手相應、游刃有余。”

跨領域的強強聯(lián)手

3月29日，切片采集順利完成，為后續(xù)的切片圖層掃描、圖像讀取分析奠定了堅實的基礎。華大生命科學研究院研究員陳奧說，與以往基于探針的空間組技術一次只能檢測幾十到幾百個基因相比，現(xiàn)在的技術可以把全基因組2萬多個基因同時捕捉下來。如此一來，就能夠減少切片數(shù)。為此，團隊依靠161張切片就獲得了世界首套獼猴全腦皮層的單細胞及空間轉錄組數(shù)據(jù)。

接下來的兩年，數(shù)據(jù)分析團隊上場。如何從數(shù)據(jù)量驚人的切片圖像中識別出不同類型的腦細胞？如何為它們分類、找規(guī)律？騰訊AI Lab AI醫(yī)療首席科學家姚建華說，每張圖像都有幾十萬到上百萬個細胞，有些不是很清晰，有些互相重疊，細胞的基因表達有相似的，也有很大區(qū)別的。如何在圖像中把這些細胞準確地標識出來，對應到測序空間上，并進行細胞歸類，騰訊AI實驗室憑借多年積累的人工智能技術、圖像分析技術、腦基因分析技術，開發(fā)出了一套從細胞分割、圖像配準到細胞類型注釋的AI算法，把細胞精準地“讀取”出來并完成歸類。僅從第一只獼猴腦的切片中，系統(tǒng)就圈出了超過1億個細胞并最終將大腦皮質細胞精準分類為264種，從而完成獼猴腦圖譜的繪制。

在華大生命科學研究院院長徐訊看來，獼猴腦圖譜的這一步突破，與人類基因組草圖的誕生有著相似的重要性。“今天發(fā)布的成果，只是讓我們對獼猴大腦的框架有了初步認識，卻是一個嶄新的起點。”目前，科研團隊已利用所獲得數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了獼猴全腦皮層細胞數(shù)據(jù)庫，后續(xù)可對不同腦區(qū)開展更深入細致的研究，比如腦細胞隨時間變化的規(guī)律、大腦演化機制、腦相關疾病等，為后續(xù)腦科學研究源源不斷開創(chuàng)新機遇。海南大學校長駱清銘院士評價這項研究為進一步理解腦結構和功能提供了重要的基礎數(shù)據(jù)庫，將有助于理解腦細胞的構成以及腦疾病發(fā)生發(fā)展的原因，是具有里程碑意義的進展。

“這么多頂尖團隊的加入，給了我們底氣，敢于去做更難的事情?！逼涯矫髡f，比目前所獲成果更值得一提的是，項目在國內(nèi)開創(chuàng)了腦科學基礎研究“有組織的科研”的先河。

“過去，腦科學研究長期局限于單個或幾個課題組的單打獨斗，這次我們探索了一條多個高水平團隊聯(lián)合攻關的道路，這對我國在腦科學研究上推行大科學項目，具有重要意義。”蒲慕明透露，接下去團隊將把切片范圍從左腦拓展到右腦，爭取在2035年完成獼猴全腦介觀圖譜，在2050年完成人類全腦介觀圖譜的研究。

研究團隊還將繼續(xù)在腦疾病機制與靶點研發(fā)、腦細胞與腦結構演化、腦功能的細胞分子機制等領域繼續(xù)攻關，推動我國在這些領域持續(xù)產(chǎn)生原創(chuàng)性、引領性成果。