2021年2月，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）學(xué)術(shù)主任蒲慕明院士帶隊(duì)來訪華大，與華大集團(tuán)董事長(zhǎng)、聯(lián)合創(chuàng)始人汪建、華大生命科學(xué)研究院院長(zhǎng)徐訊等進(jìn)行會(huì)議討論。會(huì)上，雙方高效達(dá)成合作，確定以華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq為支撐，共同推動(dòng)大腦圖譜的研究。

2023年7月，合作的首期成果——迄今最完整的靈長(zhǎng)類腦細(xì)胞圖譜研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Cell。目前，華大時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq已成功應(yīng)用于胚胎發(fā)育、腦科學(xué)、器官再生、疾病等研究領(lǐng)域，助力系列研究項(xiàng)目取得重要成果，包括全球首個(gè)腦再生時(shí)空?qǐng)D譜、小鼠胚胎發(fā)育時(shí)空?qǐng)D譜等。

今天我們邀請(qǐng)本次獼猴腦細(xì)胞圖譜研究的部分主創(chuàng)作者，為大家講述背后的故事，一起來看看吧！

Q：據(jù)悉，本次研究團(tuán)隊(duì)由國(guó)內(nèi)外100多位研究人員組成。請(qǐng)問研究開展的過程中遇到了哪些難題？團(tuán)隊(duì)是如何應(yīng)對(duì)的？

陳奧（文章共同第一作者，華大生命科學(xué)研究院時(shí)空組學(xué)領(lǐng)域首席科學(xué)家、研究員）：本次研究項(xiàng)目當(dāng)中，我們遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)是技術(shù)的異地部署。2020年項(xiàng)目剛開始的時(shí)候，我們帶著忐忑的心情來到上海，當(dāng)時(shí)還不清楚這項(xiàng)新技術(shù)能否在一個(gè)全新的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。但經(jīng)過一周時(shí)間的培訓(xùn)和測(cè)試之后，我們得到了一個(gè)非常完美的測(cè)試結(jié)果，這也意味著時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq首次走出了華大的實(shí)驗(yàn)室，在深圳以外的地方順利完成了部署。

第二個(gè)難點(diǎn)是，獼猴腦細(xì)胞圖譜繪制的工作量非常龐大，這對(duì)華大和合作伙伴來說都是一個(gè)全新的考驗(yàn)。那么我們通過“大科學(xué)”范式的團(tuán)隊(duì)合作，以精細(xì)化、工程化的管理，在非常高效、緊密的配合下，繪制了獼猴腦細(xì)胞分布圖譜。比如，在腦圖譜的實(shí)驗(yàn)部分，當(dāng)時(shí)華大和中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心的近40位研究人員一起在實(shí)驗(yàn)室里，以15分鐘為刻度規(guī)劃時(shí)間，最后僅用6天時(shí)間就把實(shí)驗(yàn)部分制作完成了。我們也非常希望未來能將這種大科學(xué)工程范式的經(jīng)驗(yàn)復(fù)制到更多合作項(xiàng)目當(dāng)中。

Q：本研究產(chǎn)生了高達(dá)300Tb的數(shù)據(jù)量，是迄今腦空間組學(xué)研究領(lǐng)域產(chǎn)出的最大數(shù)據(jù)量。面對(duì)算法上的挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)做了什么樣的努力？

黎宇翔（文章共同通訊作者，華大生命科學(xué)研究院生物信息領(lǐng)域首席科學(xué)家、研究員）：這項(xiàng)研究在細(xì)胞數(shù)、精度、數(shù)據(jù)量上都是業(yè)界領(lǐng)先的，這也表示在算法和數(shù)據(jù)分析上我們面臨著很大的挑戰(zhàn)。第一次項(xiàng)目論證的時(shí)候，我們根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)初步測(cè)算了整體實(shí)驗(yàn)和分析的時(shí)間，算出來的結(jié)果大家都比較震驚，因?yàn)橛?jì)算耗費(fèi)的時(shí)間可能要長(zhǎng)達(dá)一年多。

為此，我們急忙召集了做算法的同事，進(jìn)行連續(xù)幾天幾夜的討論，重新梳理了整體架構(gòu)，在數(shù)據(jù)格式、測(cè)序標(biāo)簽、數(shù)據(jù)整合等多個(gè)方面都做了調(diào)整和改進(jìn)，解決了大規(guī)模并行處理的問題。在調(diào)整之后，我們將原來可能要一個(gè)多月才能完成的一張芯片的分析，提速到一天就能做完。最后在做壓力測(cè)試和最終實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們僅僅用了2-3個(gè)星期就完成了數(shù)據(jù)分析，這些都是當(dāng)時(shí)團(tuán)隊(duì)快速響應(yīng)和配合，做了很大優(yōu)化之后取得的成果。

Q：本次研究繪制的靈長(zhǎng)類腦細(xì)胞圖譜，對(duì)腦科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展具有什么意義？

雷瑩（文章共同第一作者，華大生命科學(xué)研究院主任科學(xué)家、副研究員）：基于華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)技術(shù)Stereo-seq和單細(xì)胞高通量技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)產(chǎn)出了首個(gè)最全面的靈長(zhǎng)類大腦皮層的細(xì)胞類型圖譜。

該圖譜為之后我們對(duì)于靈長(zhǎng)類大腦的功能解析，以及與之相關(guān)的疾病靶點(diǎn)的研究，還有在進(jìn)化中與其他物種的對(duì)比都有非常深遠(yuǎn)的意義。我們也希望之后有更多的國(guó)內(nèi)外其他的研究團(tuán)隊(duì)，可以利用這個(gè)圖譜在腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)界的研究往前更進(jìn)一步。

Q：2022年5月，華大與全球多家機(jī)構(gòu)共同成立國(guó)際科學(xué)組織——時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟（STOC）。過去一年時(shí)間里聯(lián)盟主要取得了哪些進(jìn)展？未來期待在哪些方面取得更多突破？

劉龍奇（文章共同通訊作者，華大生命科學(xué)研究院?jiǎn)渭?xì)胞組學(xué)領(lǐng)域首席科學(xué)家、研究員）：時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟自成立以來，吸引了來自35個(gè)國(guó)家和地區(qū)的超過270位科學(xué)家加入。在助力科研方面，聯(lián)盟對(duì)器官再生、胚胎發(fā)育、腦科學(xué)、疾病等多個(gè)領(lǐng)域開展相關(guān)研究，取得了一系列具有國(guó)際影響力的重要成果，包括本次研究發(fā)布的目前全球最完整的非人靈長(zhǎng)類腦圖譜成果。

此外，在聯(lián)盟的組織上我們也做了很多努力，比如成立了時(shí)空組學(xué)聯(lián)盟的組織委員會(huì)。這個(gè)委員會(huì)由領(lǐng)域內(nèi)具有重要影響力的全球多國(guó)科學(xué)家共同組成，對(duì)聯(lián)盟的組織發(fā)展、研究方向等一些重大決策起到非常關(guān)鍵的作用。未來，聯(lián)盟主要的研究方向包括人類關(guān)鍵器官的空間多組學(xué)細(xì)胞圖譜、胚胎發(fā)育的基本問題、人類疾病的診斷與治療、器官高級(jí)功能的演化等，希望將時(shí)空組學(xué)技術(shù)更好地應(yīng)用于不同領(lǐng)域，助力科研發(fā)現(xiàn)。

Q：華大在前沿科技上不斷實(shí)現(xiàn)新的突破，其背后的支撐是什么？

徐訊（文章共同通訊作者，華大生命科學(xué)研究院院長(zhǎng)、研究員）：多年來，華大一直秉持著一個(gè)大目標(biāo)——“基因科技造福人類”。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們必須更好地理解人類的疾病、人類生命的過程等重要科學(xué)問題。在探索這些問題的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞技術(shù)和時(shí)空組學(xué)技術(shù)，尤其是高精度的時(shí)空組學(xué)技術(shù)，對(duì)于認(rèn)知生命和疾病有非常重要的價(jià)值。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們組建了一個(gè)多學(xué)科的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，并且鼓勵(lì)年輕人大膽發(fā)揮創(chuàng)意，支持他們用新的想法推動(dòng)技術(shù)變革。

正是在大目標(biāo)的引領(lǐng)下，在多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的支撐下和青年才俊的創(chuàng)意推動(dòng)下，我們才能在前沿技術(shù)上持續(xù)突破。