為動物大腦繪制完整“接線圖”

　　新研究欲摸清“大腦中每條路、每棟房和每扇門”

　　【今日視點】

　　◎本報記者 張夢然

　　在過去的幾年里，人們越來越清楚地看到，大腦的大多數計算實際上不是發生在孤立的區域，而是在整個大腦的分布式網絡中。因此，如果我們真的要了解大腦計算是如何產生的，就需要了解整個網絡，也就是說，要看到整個大腦的連接。

　　現在，哺乳動物大腦中所有連接的完整圖譜可能就在眼前。

　　美國艾倫腦科學研究所(以下簡稱“艾倫腦研所”)剛剛啟動了3個新項目，以構建小鼠和獼猴大腦部分神經元連接的大型詳細圖譜，并著眼于將來創建這些動物大腦的完整“接線圖”。這些項目均由美國國立衛生研究院(NIH)的“推進創新神經技術腦研究計劃”(BRAIN)計劃資助。

　　大腦中每條道路的“導航地圖”

　　第一項研究，先從透射電子顯微鏡開始。

　　這是一種發射電子束穿過組織樣本以創建極其詳細的圖像的技術。現在，科學家要擴展和優化透射電子顯微鏡管道，然后使用該管道，以120納米分辨率，對小鼠大腦的整個半球和皮質基底神經節丘腦環進行非常精細的細節成像，以更好地了解小鼠大腦的功能。

　　接著，研究人員就可以嘗試這項技術是否能進一步對整個小鼠大腦成像——這是一項重大成就，能為全球神經科學提供非常有價值的路線圖。

　　艾倫腦研所副研究員努諾·達·科斯塔博士指出，這對更廣泛的領域都將產生巨大影響，因為這就像“大腦中每條道路、每棟房屋和每扇門的導航地圖”，如果做得好，將是一項影響深遠的貢獻。

　　在幾年內而不是百年內完成

　　在第二個項目中，科學家將通過追蹤軸突和樹突伸出并連接其他腦細胞時形成的“蜿蜒路徑”，去繪制全腦連接圖。

　　人們可以將它們想象成腦細胞的長臂和手指，從細胞體輻射出來，延伸到整個大腦的其他細胞以創建網絡。而研究人員將使用一種名為BARseq的創新技術，追蹤這些復雜的路徑，BARseq代表通過測序解析的條形碼解剖結構。

　　它的工作原理是用獨特的RNA條形碼標記每個細胞，使其在細胞群中脫穎而出。通過“連接每個條形碼之間的點”，科學家可以追蹤腦細胞(即軸突和樹突)延伸的位置和距離。

　　這比當前其他技術更快、更高效，并且可以輕松與其他數據結合。“實際上，我們可以在幾年而不是100年的時間內繪制出整個獼猴大腦的圖譜。”艾倫腦研所助理研究員陳筱寅表示。

　　連接數據 共享成果

　　最后，將細胞類型與全腦圖譜聯系起來，這是了解大腦功能的至關重要的一環。因此，在第三個項目中，研究人員就將致力于通過擴展和共享技術來連接遺傳數據集，這些技術能測量小鼠整個大腦中某兩個數據集共有的特征。

　　艾倫腦研所使用的名為Patch-seq的方法，可生成多維數據，而新項目旨在增強這一能力，并通過自動化、機器視覺建模和先進的計算技術，從全腦圖像中捕獲神經元的完整結構。

　　該項目還有一個目標，就是更廣泛地與研究人員分享成果，這樣，該領域的專家們都能夠為表征整個小鼠大腦的細胞類型作出貢獻。

　　艾倫腦研所神經解剖學副主任斯塔奇·索倫森表示，通過基于機器學習的方法，人們可以創建這些深度神經網絡，使形態描述與轉錄組學、連接組數據和遠程投影數據保持一致，而“到目前為止，我們對所獲得的結果感到非常興奮。我認為其在細胞亞類水平上尤其有效”。(科技日報)