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(shù)計算實際上不是發(fā)生在孤立的區(qū)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(xiàn)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(chuàng)建這些動物大腦的完整“接線圖”。這些項目均由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)的“推進創(chuàng)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(fā)射電子束穿過組織樣本以創(chuàng)建極其詳細的圖像的技術?，F(xiàn)在，科學家要擴展和優(yōu)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(jié)丘腦環(huán)進行非常精細的細節(jié)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(chuàng)建網絡。而研究人員將使用一種名為BARseq的創(chuàng)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(shù)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?！卑瑐惸X研所助理研究員陳筱寅表示。

　　連接數(shù)據 共享成果

　　最后，將細胞類型與全腦圖譜聯(lián)系起來，這是了解大腦功能的至關重要的一環(huán)。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(shù)據集，這些技術能測量小鼠整個大腦中某兩個數(shù)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(shù)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(chuàng)建這些深度神經網絡，使形態(tài)描述與轉錄組學、連接組數(shù)據和遠程投影數(shù)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)