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近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心與生命科學(xué)學(xué)院畢國強(qiáng)教授和劉北明教授率領(lǐng)中科大、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院和合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的高通量三維熒光成像VISoR技術(shù)和靈長類腦圖譜繪制SMART流程，并與中科院昆明動物所胡新天團(tuán)隊(duì)、中科院深圳先進(jìn)院徐富強(qiáng)團(tuán)隊(duì)、以及美國麻省理工學(xué)院、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校等單位科學(xué)家合作，實(shí)現(xiàn)了對獼猴大腦的微米級分辨率三維解析。相關(guān)研究成果北京時(shí)間7月26日23時(shí)以High-throughput mapping of a whole rhesus monkey brain at micrometer resolution為題發(fā)表于《自然·生物技術(shù)》（NatureBiotechnology）。

大腦功能是由其近千億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，以及細(xì)胞之間纖細(xì)而復(fù)雜的連接來實(shí)現(xiàn)的。要深入理解大腦的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制，需要將這些精密連接結(jié)構(gòu)解析出來，就像給大腦繪制一幅三維高清地圖。腦圖譜解析是神經(jīng)科學(xué)前沿研究領(lǐng)域，而對靈長類動物的腦圖譜解析也是中國腦計(jì)劃的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。神經(jīng)元通過軸突纖維輸送信息，如果把這些纖維類比為道路和河流，那么大腦的尺寸就相當(dāng)于整個(gè)地球的大小，繪制腦圖譜就像要把地面上的大小道路以及河流的大小支流都測繪出來。而且因?yàn)榇竽X是一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)部每個(gè)地方都有跟地球表面同樣錯綜復(fù)雜的道路河流。繪制大腦圖譜就是要把這樣一個(gè)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)分解和描繪。

目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠，國際通用的成像技術(shù)對其進(jìn)行微米分辨率全腦成像通常需要數(shù)天的時(shí)間，而獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時(shí)間內(nèi)完成全腦成像是一項(xiàng)極大的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)此前在中科院“腦功能聯(lián)接圖譜”戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)和科研儀器研制項(xiàng)目、以及國家自然科學(xué)基金“情感與記憶的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，經(jīng)過數(shù)年的攻關(guān)，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術(shù)（工作于2019年發(fā)表于《國家科學(xué)評論》）。這一技術(shù)通過斜截面掃描照明與同步成像實(shí)現(xiàn)了在樣品連續(xù)運(yùn)動時(shí)進(jìn)行無模糊的圖像采集，消除了傳統(tǒng)大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來的時(shí)間損失，數(shù)據(jù)采集速度比當(dāng)前通用于小鼠腦圖譜繪制的幾種三維光學(xué)成像技術(shù)提升數(shù)十倍，使得猴腦圖譜解析成為可能。

除了成像通量的挑戰(zhàn)，對獼猴腦進(jìn)行高分辨全腦成像還面臨溝回結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組織透明度差等多方面的困難。團(tuán)隊(duì)采取先對離體大腦進(jìn)行包埋切片的方式，使得溶液滲透效率僅依賴于切片厚度，而不受其大小的影響，并且發(fā)展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對腦片的灰質(zhì)與白質(zhì)不同部分、不同深度達(dá)到均勻透明。然后通過改進(jìn)的VISoR2系統(tǒng)，最終對獼猴全腦樣品在100小時(shí)內(nèi)完成1×1×2.5微米三維分辨率的圖像采集,項(xiàng)目中兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過了1PB。由于數(shù)據(jù)體積龐大，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了自動的三維圖像拼接技術(shù)和漸進(jìn)式的半自動追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建和神經(jīng)元軸突纖維的長距離追蹤，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質(zhì)溝回處轉(zhuǎn)折延伸的多種路徑形態(tài)。

VISoR2顯微鏡工程簡圖

獼猴丘腦神經(jīng)元軸突投射與追蹤

VISoR技術(shù)作為當(dāng)前世界最快的大尺度三維組織成像方法，可以對各種模型動物大腦進(jìn)行高通量、高精度的定量解析，并可擴(kuò)展至其它組織器官，在大規(guī)模藥物篩選、快速病理診斷，以及更大型生物樣品成像等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的超大規(guī)模數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，將有望幫助理解人類大腦和身體器官的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其在疾病中的變化規(guī)律，加速醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)，促進(jìn)人類健康。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心博士后、現(xiàn)任中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員徐放，生命科學(xué)學(xué)院研究生沈燕、丁露鋒、楊朝宇是論文第一作者。論文的共同作者還包括合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院王浩副研究員、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心祝清源高級工程師、徐程副研究員、中科院昆明動物所胡新天研究員、中科院深圳先進(jìn)院徐富強(qiáng)研究員、麻省理工學(xué)院RobertDesimone教授、加州大學(xué)洛杉磯分校董紅衛(wèi)教授、南加州大學(xué)張礪教授等。畢國強(qiáng)教授和劉北明教授是論文的通訊作者。

研究得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、深圳市腦解析與腦模擬重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、深港腦科學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-021-00986-5

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生命科學(xué)學(xué)院、科研部）