| 【天津桑拿洗浴论坛】【天津桑拿洗浴论坛】【天津桑拿洗浴论坛】 (深圳特区报记者文坤、实习生詹、通讯员刁)大脑作为结构和功能最复杂的器官，是生命活动的总部。识别大脑的三维结构在脑科学研究中起着重要的作用。长期以来，为了“看清楚”大脑的内部结构，了解其运行机制，科学家们试图绘制一张包含连通性、功能性和微观结构的大脑高清“地图”，并进行了许多努力。然而，它的技术极其困难。 7月26日，中国科学院深圳理工大学/深圳先进技术研究院/深圳先进技术研究院毕国强教授、刘北明教授、徐芳副研究员带领深圳理工大学/深圳先进技术研究院、中国科学技术大学、合肥综合国家科学中心人工智能研究院团队的最新研究成果发表在《自然-生物技术》上。五年后，研究团队通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱SMART流程，实现了猕猴脑的微分辨率三维分析，是目前世界上最精确的灵长类脑图谱。 (左)VISoR2工程图；(中)恒河猴丘脑神经元的群投射(右)恒河猴丘脑神经元单个轴突的投射和追踪 中国科学院深圳先进科学技术研究院副研究员徐芳，中国科学技术大学研究生、、杨为论文第一作者。中国科学院昆明动物研究所的胡心田团队、中国科学院深圳先进技术研究院的徐富强团队、麻省理工学院、南加州大学和加州大学洛杉矶分校参与了这项工作。 在猕猴层面实现大脑的三维高清“地图” 大脑是一个三维结构，它内部的神经网络结构就像地球表面错综复杂的道路和河流。绘制大脑地图就是将这些河流和道路绘制成地图，对大脑复杂的三维结构进行精细的分解和描述。 三维高分辨率重建(A)、横断面(B)、内部神经纤维显示(C)、部分神经纤维全脑追踪及可视化(D)。 为了了解人脑，科学家需要以果蝇和小鼠为基准和模型，其中猕猴是研究最深入的非人灵长类动物，为了解人脑健康和疾病提供了最佳的模型系统。由于技术限制，目前脑地图的研究主要集中在小鼠层面，国际通用成像技术对小鼠进行微分辨率全脑成像通常需要几天时间。猕猴的脑容量是小鼠的200多倍，因此在短时间内完成猕猴的全脑成像是一个巨大的挑战。 此前，经过几年的研究，研究团队开发了VISoR高速三维荧光成像技术，并于2019年发表在《国家科学评论》上。该技术通过斜切面扫描照明和同步成像，实现了样品连续运动时无模糊的图像采集，消除了传统大样品成像中不同小视场切换和暂停带来的时间损失。数据采集速度比常用的几种绘制小鼠脑图的三维光学成像技术高出数倍，使得分析猴脑图成为可能。 恒河猴的高分辨率全脑成像除了面临成像通量的挑战外，还面临着脑沟结构复杂、组织透明度差等诸多困难。在通过严格审查的伦理标准下，研究人员开始研究恒河猴的大脑，采用先将孤立的大脑进行包埋切片的方法，这样溶液的渗透效率只取决于切片的厚度，不受其大小的影响。此外，还开发了高折射率的PuClear组织透明法，使脑片的灰质和白质在不同部位和深度均匀透明。然后，通过改进的VISoR2系统，以1× 1× 2.5微米的三维分辨率在100小时内采集到整个猕猴脑样本。项目中，两张猕猴脑图像原始数据超过1 PB，相当于113个10T硬盘的存储大小。 “如此庞大的数据包含了海量的信息，但也给数据分析带来了巨大的挑战。”徐芳说。面对庞大的数据量，研究团队开发了自动3D图像拼接技术，实现了猕猴大脑的3D图像重建。“目前，这项工作只是一个非常初步的开始。未来，我们需要更多的数据科学家参与更深入的图像数据挖掘和分析，共同理解灵长类大脑精细结构与智力的关系。” 实现神经元的远程跟踪，发现新路径 大脑中有上亿个神经元，它们的长轴突就像电线一样，延伸到大脑的各个区域，起到传递信号的作用。只有对整个大脑进行微米级分辨率的成像和重构，才能完整描述单个神经元的轴突形态。 研究团队开发了渐进式半自动跟踪技术，实现了神经元轴突的远距离跟踪。在前期工作的基础上，发现了此前未知的恒河猴轴突纤维投射特征以及大脑皮层沟处转向和延伸的各种路径形式。 “他们的初步观察表明，大脑皮层下白质中的许多轴突具有出乎意料的复杂轨迹，包括与皮层折叠相关的急转弯。这一发现可能对理解脑形态发生和“最小化连线长度”的原理具有深远的意义。美国科学院院士、神经生物学和解剖学家、华盛顿大学教授David van Essen表示，该研究团队克服了困难的技术障碍，实现了一个完整的数据采集和分析过程，用于详细绘制和可视化单个猕猴神经元的长距离轴突轨迹和神经连接。这项研究是一项技术杰作，表明我们在准确有效地绘制恒河猴全脑长距离连接方面取得了惊人的进展。 中国科学院院士、浙江大学脑科学与脑医学学院院长段淑敏教授评论说，近年来小动物全脑图谱的绘制取得了很大进展，但灵长类动物全脑在很多技术方面(如成像速度、大规模高精度成像、大数据处理等)仍面临很大挑战。).毕国强团队开发的集成技术，包括VISoR和SMART，为解决这一问题提供了可行的手段。 “VISoR技术作为目前世界上最快的大规模三维组织成像方法，可以高通量、高精度地对各种模型动物的大脑进行定量分析，并可以推广到其他组织器官。在大规模药物筛选、快速病理诊断、较大生物样本成像等方面具有广阔的应用前景。该技术产生的超大规模数据与人工智能技术相结合，将有望帮助了解人类大脑和身体器官的精细结构及其在疾病中的变化，加速医学诊断和药物研发，促进人类健康。”该论文的合著者毕国强说。 据了解，该研究团队将深入研究灵长类脑结构的组成、与脑智能的关系以及疾病的变化，并与医院和人工智能相关公司合作，继续开发用于动物和人体器官病理组织高分辨率全景3D成像的相关技术。 |
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