大腦是生命活動的司令部，識別大腦三維結(jié)構(gòu)，對腦科學(xué)研究有重要作用。7月26日，中科院深理工/中科院深圳先進院畢國強教授等的最新研究成果發(fā)表于《自然·生物技術(shù)》。團隊歷時5年，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，實現(xiàn)了獼猴大腦的微米級分辨率三維解析。這也是目前世界上最高精度的靈長類動物腦圖譜。
長久以來，為了能“看清”大腦的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解其運轉(zhuǎn)機制，科學(xué)家們都在嘗試?yán)L出一幅包含連接性,功能和微觀結(jié)構(gòu)的大腦高清“地圖”并做出諸多努力，然而其技術(shù)難度極大。
大腦內(nèi)部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就像地球表面錯綜復(fù)雜的道路與河流。要繪制它的高清“地圖”，需要精細(xì)分解和描繪復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。由于技術(shù)限制，目前的腦圖譜研究主要集中于小鼠層面，國際通用的成像技術(shù)，對小鼠進行微米分辨率全腦成像，通常需要數(shù)天時間。獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時間內(nèi)完成獼猴全腦成像，是一項極大挑戰(zhàn)。
此前，團隊經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，研發(fā)了VISoR高速三維熒光成像技術(shù)，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，實現(xiàn)了在樣品連續(xù)運動時，進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、停頓所帶來的時間損失，數(shù)據(jù)采集速度比當(dāng)前通用的幾種方法提升了數(shù)十倍。
據(jù)悉，該項目中兩只獼猴大腦圖像原始數(shù)據(jù)量超過了1 PB，約相當(dāng)于113塊10T硬盤的數(shù)量存儲大小。“如此海量的數(shù)據(jù)蘊含著非常龐大的信息量，但也為數(shù)據(jù)分析帶來極大的挑戰(zhàn)。”論文共同第一作者徐放表示。為此，團隊開發(fā)了自動三維圖像拼接技術(shù)，實現(xiàn)了獼猴大腦的三維圖像重建。
成像不僅要全面，更要高清。大腦內(nèi)有上億個神經(jīng)元，長長的神經(jīng)元軸突就像是電線，延伸到大腦的各個區(qū)域，發(fā)揮著傳輸信號的功能。要完整描繪它們，需要微米級分辨率。
為此，團隊開發(fā)了漸進式的半自動追蹤技術(shù)，實現(xiàn)了對神經(jīng)元軸突的長距離追蹤，并基于前期工作基礎(chǔ)，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)。
“他們的初步觀察表明，大腦皮層下方白質(zhì)中的許多軸突具有出乎意料的復(fù)雜軌跡，包括與皮層折疊相關(guān)聯(lián)的急轉(zhuǎn)彎。這一發(fā)現(xiàn)可能對理解大腦形態(tài)發(fā)生和‘布線長度最小化’原則具有深遠(yuǎn)的意義。”美國科學(xué)院院士、神經(jīng)生物學(xué)與解剖學(xué)家、華盛頓大學(xué)David van Essen(大衛(wèi)·馮·埃森)教授表示。
“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行高通量、高精度的定量解析，并可擴展至其他組織器官，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，有望加速腦疾病診斷和藥物研發(fā)。”畢國強表示。
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