為動(dòng)物大腦繪制完整“接線(xiàn)圖”

　　新研究欲摸清“大腦中每條路、每棟房和每扇門(mén)”

　　【今日視點(diǎn)】

　　◎本報記者 張夢(mèng)然

　　在過(guò)去的幾年里，人們越來(lái)越清楚地看到，大腦的大多數計算實(shí)際上不是發(fā)生在孤立的區域，而是在整個(gè)大腦的分布式網(wǎng)絡(luò )中。因此，如果我們真的要了解大腦計算是如何產(chǎn)生的，就需要了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，也就是說(shuō)，要看到整個(gè)大腦的連接。

　　現在，哺乳動(dòng)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(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“艾倫腦研所”)剛剛啟動(dòng)了3個(gè)新項目，以構建小鼠和獼猴大腦部分神經(jīng)元連接的大型詳細圖譜，并著(zhù)眼于將來(lái)創(chuàng )建這些動(dòng)物大腦的完整“接線(xiàn)圖”。這些項目均由美國國立衛生研究院(NIH)的“推進(jìn)創(chuàng )新神經(jīng)技術(shù)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(kāi)始。

　　這是一種發(fā)射電子束穿過(guò)組織樣本以創(chuàng )建極其詳細的圖像的技術(shù)。現在，科學(xué)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(gè)半球和皮質(zhì)基底神經(jīng)節丘腦環(huán)進(jìn)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(zhù)，研究人員就可以嘗試這項技術(shù)是否能進(jìn)一步對整個(gè)小鼠大腦成像——這是一項重大成就，能為全球神經(jīng)科學(xué)提供非常有價(jià)值的路線(xiàn)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(lǐng)域都將產(chǎn)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(mén)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(gè)項目中，科學(xué)家將通過(guò)追蹤軸突和樹(shù)突伸出并連接其他腦細胞時(shí)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(cháng)臂和手指，從細胞體輻射出來(lái)，延伸到整個(gè)大腦的其他細胞以創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )。而研究人員將使用一種名為BARseq的創(chuàng )新技術(shù)，追蹤這些復雜的路徑，BARseq代表通過(guò)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(gè)細胞，使其在細胞群中脫穎而出。通過(guò)“連接每個(gè)條形碼之間的點(diǎn)”，科學(xué)家可以追蹤腦細胞(即軸突和樹(shù)突)延伸的位置和距離。

　　這比當前其他技術(shù)更快、更高效，并且可以輕松與其他數據結合。“實(shí)際上，我們可以在幾年而不是100年的時(shí)間內繪制出整個(gè)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(lèi)型與全腦圖譜聯(lián)系起來(lái)，這是了解大腦功能的至關(guān)重要的一環(huán)。因此，在第三個(gè)項目中，研究人員就將致力于通過(guò)擴展和共享技術(shù)來(lái)連接遺傳數據集，這些技術(shù)能測量小鼠整個(gè)大腦中某兩個(gè)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(guò)自動(dòng)化、機器視覺(jué)建模和先進(jìn)的計算技術(shù)，從全腦圖像中捕獲神經(jīng)元的完整結構。

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

　　艾倫腦研所神經(jīng)解剖學(xué)副主任斯塔奇·索倫森表示，通過(guò)基于機器學(xué)習的方法，人們可以創(chuàng )建這些深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，使形態(tài)描述與轉錄組學(xué)、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(lèi)水平上尤其有效”。(科技日報)