7月10日深夜，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細胞》首次以專(zhuān)輯形式集中呈現來(lái)自中國腦科學(xué)的10項重磅成果。

　　此次，由中國科學(xué)家主導實(shí)現了多項“世界首次”“全球率先”的突破，有望推動(dòng)腦科學(xué)研究從結構到功能的跨越，為深入解密大腦提供了全新視角與關(guān)鍵手段。

　　專(zhuān)輯中的10篇論文，由國內外30多個(gè)科研機構、300多名科研人員共同完成。從鼠腦到猴腦，腦圖譜研究的這一步“躍遷”背后，不僅意味著(zhù)大量技術(shù)瓶頸的突破，更體現了“有組織科研”的前瞻布局和協(xié)同效能。

　　國際上，各國在腦研究領(lǐng)域的競爭已趨白熱化。此次中國腦計劃成果的全球集中首秀，讓中國腦科學(xué)走到了世界學(xué)術(shù)舞臺的聚光燈下。

　　三個(gè)“世界首次”工具占兩項

　　此次《細胞》專(zhuān)輯中，有3篇論文創(chuàng )下“世界首次”，牽頭科學(xué)家分別是中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心的嚴軍、劉真，以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的畢國強。

　　“工欲善其事，必先利其器”，自2018年上海市市級重大專(zhuān)項立項開(kāi)始，腦智中心通過(guò)頂層設計，進(jìn)行針對性布局，以攻關(guān)克隆猴模型、示蹤觀(guān)測等技術(shù)。

　　研究靈長(cháng)類(lèi)大腦，看清腦細胞“怎么走、怎么連”，過(guò)去沒(méi)有便捷高效的工具，為此劉真團隊建立了靈長(cháng)類(lèi)神經(jīng)細胞特異性標記、神經(jīng)活性調控及觀(guān)測工具集。劉真介紹，通過(guò)學(xué)科交叉合作，他們找到了可以標記不同層興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元亞型的增強子，“工具集的成功開(kāi)發(fā)標志著(zhù)非人靈長(cháng)類(lèi)腦科學(xué)進(jìn)入精準細胞類(lèi)型研究的新階段”。

　　

 

　　畢國強團隊則用自主研發(fā)的高速三維顯微技術(shù)，實(shí)現了40小時(shí)內成年小鼠全身的均一亞細胞分辨率三維成像。“這是大家想做、但一直無(wú)法完成的工作。”團隊成員徐程介紹，他們打破了大體積樣品三維成像的技術(shù)瓶頸，解析了周?chē)窠?jīng)在全身投射的精細結構，甚至能夠追蹤到單個(gè)神經(jīng)元在皮膚上的投射軌跡。。

　　

 

　　對于嚴軍團隊繪制的“獼猴前額葉皮層神經(jīng)元全腦投射圖譜”，審稿人給予了“獨一無(wú)二”“開(kāi)創(chuàng )性工作”的評價(jià)。前額葉是負責高級認知功能的最關(guān)鍵腦區，團隊成功重構了當前世界上最大規模的獼猴全腦介觀(guān)連接圖譜。該研究顛覆了以往神經(jīng)元“越高級、越復雜”的猜測，發(fā)現了“越高級、越簡(jiǎn)單”的真相——就好像小公司員工往往“一人多能”，大公司員工反而任務(wù)專(zhuān)一，以實(shí)現公司整體的高效運轉。

　　

 

　　探索最前沿，“手搓”與AI并用

　　與小鼠大腦圖譜繪制產(chǎn)生的研究數據相比，獼猴大腦的數據至少增加100倍。如此海量數據，是腦科學(xué)研究從未遇到過(guò)的挑戰。為此，腦科學(xué)家們找到騰訊AI實(shí)驗室、華大生命科學(xué)研究院，解決數據難題。

　　華大生命科學(xué)研究院基因多維解析技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗室主任徐訊回憶，2021年，他遇到中國科學(xué)院院士、腦智中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明，才發(fā)現華大自主研發(fā)的時(shí)空組學(xué)Stereo-seq技術(shù)竟與腦圖譜研究需求十分貼切。于是，當年春節，雙方團隊放棄休息開(kāi)啟一場(chǎng)跨界合作，甚至為此改造芯片。如今，已經(jīng)發(fā)展起4套技術(shù)平臺，專(zhuān)門(mén)用于腦圖譜研究。

　　

 

　　然而，在探索大腦這個(gè)“無(wú)人區”時(shí)，AI并非萬(wàn)能。很多時(shí)候，團隊要另辟蹊徑，甚至用人工“手搓”。

　　2231個(gè)!繪制獼猴前額葉單神經(jīng)元的全腦精細投射圖譜，工作量極其浩大。為此，嚴軍團隊將天文領(lǐng)域利用“公眾科學(xué)”處理海量數據的方法，首次引入腦科學(xué)研究。尋找神經(jīng)元投射的路線(xiàn)，簡(jiǎn)化之后如同兒童“連連看”游戲——讓AI來(lái)做，反而算力消耗巨大，且準確率不高。于是，他們開(kāi)發(fā)了一款軟件，簡(jiǎn)單到小學(xué)生在手機App上就能完成。該團隊茍凌峰副研究員更是通過(guò)多年努力，自主開(kāi)發(fā)出“多人在線(xiàn)”數據軟件，可讓許多人同時(shí)處理一張圖片，將研究時(shí)長(cháng)一下縮短幾十倍。

　　腦智中心沈志明團隊繪制出了全球首個(gè)非人靈長(cháng)類(lèi)屏狀核的空間組圖譜。盡管華大團隊的技術(shù)提供了極大幫助，但諸如給位于大腦深處的屏狀核“打針”、復雜組織切片處理、確定屏狀核邊界等工作，只能靠人工一點(diǎn)點(diǎn)查文獻、做標記，甚至用手的溫度來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)融化冷凍切片，避免氣泡與褶皺，確保每一張組織切片與基因芯片都切貼得完美無(wú)瑕……

　　

 

　　未來(lái)20年，人腦聯(lián)接圖譜將有小成

　　通常，生命科學(xué)研究的作者數量不會(huì )超過(guò)二三十人。此次專(zhuān)輯中不少論文的作者數量常有幾十人，最多的一篇作者署名多達92人，包括法國、英國、瑞典等多個(gè)海外科研機構。

　　“這說(shuō)明，通過(guò)十年努力，中國腦研究正在形成一個(gè)具有全球吸引力、世界影響力的國際大科學(xué)團隊。”蒲慕明說(shuō)，過(guò)去，基礎研究課題組習慣于單打獨斗，但到了探索靈長(cháng)類(lèi)大腦的階段，必須通過(guò)”有組織的科研“融匯各種創(chuàng )新資源協(xié)力攻關(guān)，才能向腦科學(xué)的終極目標發(fā)起沖擊。

　　不僅自己的論文合作者眾多，沈志明也是同專(zhuān)輯其他多篇論文的合作者。“大家在科研上互通有無(wú)，技術(shù)與資源上相互支援，已成為一種常態(tài)。”他說(shuō)，用于追蹤神經(jīng)元聯(lián)接路徑的逆標染料標記法，是法國里昂干細胞與腦研究所的核心技術(shù)，為此他去法國學(xué)習了三個(gè)月?；貋?lái)后，他開(kāi)發(fā)了更高效的非人靈長(cháng)類(lèi)圖譜繪制技術(shù)，還用這些技術(shù)幫助了不少團隊，甚至反哺法國團隊。“我們的研究吸引了法國合作者，他們不僅拿出自己積累的獼猴聯(lián)接組數據，供我們使用，甚至還愿意自帶經(jīng)費，加入我們的研究。”

　　蒲慕明認為，此次《細胞》系列期刊推出專(zhuān)輯，同樣是“大兵團協(xié)作”的一次成功體現——專(zhuān)輯投稿一年前就開(kāi)始規劃，大家齊心協(xié)力按照節點(diǎn)完成研究，既促進(jìn)了合作，又激勵了團隊。

　　這次成果的集中亮相，標志著(zhù)我國腦圖譜研究實(shí)現了“從鼠腦到猴腦”的跨越。蒲慕明認為，樂(lè )觀(guān)估計，獼猴的重要腦區的神經(jīng)聯(lián)接圖譜有望于2035年完成。“人類(lèi)基因組計劃原本打算15年完成，但在技術(shù)推動(dòng)下，10年就完成了。腦圖譜研究也可能因為同樣的原因而提前達標。”

　　至于人腦這個(gè)終極目標，蒲慕明預計20年內將可繪制出人腦單神經(jīng)元細胞投射聯(lián)接圖譜。他透露，目前團隊正與國內外多個(gè)同步輻射光源開(kāi)展合作，使用強X射線(xiàn)，讓人腦神經(jīng)聯(lián)接“顯形”。