腦海漫遊 進入“導航”時代（瞰前沿·@科學家）

網友：我看到一則新聞，有10項介觀腦圖譜研究成果在《細胞》《神經元》等期刊發佈。“介觀腦圖譜”，聽起來與我們的大腦有關，又充滿科技感！我想知道，介觀腦圖譜是什麼？又有什麼用？

編輯：您關注到的，是由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心發起的“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃的研究成果。據介紹，國內外300多位科學家利用我國自主研發的高精度光學腦成像等技術，歷時5年繪製出多張介觀腦圖譜，覆蓋了爬行類、鳥類、齧齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，相當於為大腦繪製了前所未有的“星系分佈圖”。

本期我們邀請中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心高級研究員孫衍剛，沿着“大腦地圖”，帶我們“走入”大腦深處，探索一個值得期待的未來。

繪製腦圖譜，為大腦研究提供支撐

很多讀者好奇，什麼是介觀腦圖譜？介觀腦圖譜介於宏觀和微觀之間，以單個神經元細胞的分辨率尺度，繪製神經元細胞、神經元網絡、腦區和腦功能區等大腦的組成部分。

人腦有近千億個神經元，每個神經元又與上千個神經元相連，就像擁有無數星系的宇宙。探秘“大腦宇宙”，想要精確定位神經元、解析它們之間如何連接與傳遞信息，就需要一張高精度的腦圖譜來“導航”。

以研究帕金森病為例，病因是大腦裏的多巴胺神經元細胞凋亡，目前相對前沿的治療對策是補充多巴胺神經元細胞。但是這些細胞的凋亡，除了自身問題，還可能和其生長的“土壤”有關。如果只補充細胞，“土壤”問題沒有得到解決，新的細胞還是長不好。因此，我們不僅要研究細胞本身，還要研究它所處的周邊環境。

在介觀腦圖譜的“導航”下，科研人員可以更好地解析神經元細胞及其周邊環境，破解感知、運動、學習、記憶和決策等重要腦功能的運作密碼。

自19世紀末西班牙科學家拉蒙·卡哈爾創立神經元學，繪製完整的人腦圖譜就成為生命科學的重要目標。100多年來，科學家從有302個神經元細胞的線蟲開始，陸續繪製果蠅、斑馬魚、小鼠等小型物種的腦圖譜，如同攀登腦科學界的珠穆朗瑪峯，由易到難、由簡單到複雜，為大腦研究提供了重要支撐。

各物種的大腦千差萬別，複雜程度各不相同。“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃的介觀腦圖譜研究成果覆蓋了爬行類、鳥類、齧齒類、非人靈長類和人類等關鍵物種，為大腦繪製了前所未有的“星系分佈圖”。

對抗“記憶竊賊”，大腦GPS展身手

此次發佈的系列成果中，最大的突破在於技術體系的創新。實踐證明，我國自主研發的光學成像技術在靈長類動物介觀腦圖譜的繪製工作上高效、可靠。發佈的成果中，華大生命科學研究院自主研發的單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，能同時獲取細胞的空間位置和基因表達信息，相當於給每個神經元都裝上了GPS、配發了“身份證”。

以被稱為“記憶竊賊”的阿爾茨海默病為例，過去，科研人員只知道阿爾茨海默病與細胞外β—澱粉樣蛋白沉積形成老年斑有關，但無法識別這種蛋白在微環境中所有不同類型細胞。此次研究中，科研人員通過單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，對海馬體腦區進行了精細劃分，發現病理性小膠質細胞和星形膠質細胞在海馬傘區域高度富集，就像某個街區突然聚集了大量異常活動的人一樣。科研人員首次繪製了正常人和阿爾茨海默病患者海馬體腦區的單細胞分辨率空間轉錄圖譜，不僅識別了特定區域受損的神經元細胞，還篩選出細胞特異性和腦區特異性的靶標，為阿爾茨海默病早期診斷及鑑別診斷提供了新標誌物，這有可能改變我們對抗這種“記憶竊賊”的方式。

腦出血是一種死亡率、致殘率較高的腦血管急症，其病理損傷機制複雜，腦組織微環境時空動態演變過程尚未明確。此次研究同樣利用單細胞分辨率的空間轉錄測序技術，首次描繪出小鼠腦出血後從超急性期到恢復期的空間轉錄組圖譜，系統解析腦組織損傷與修復過程，以及膠質細胞等多種細胞在其中的關鍵作用，闡明瞭腦出血並非單純的局部病變，更引發全腦反應。該圖譜的繪製為深入理解腦出血的動態病理過程提供了重要資源，併為靶向干預和個體化治療策略奠定了基礎。

未來的“大腦地圖”還可以做什麼

繪製介觀腦圖譜，難度很大。

首先是取樣困難，醫學影像無法“看清”神經元細胞，只能靠解剖切片獲取時效有限的靜態信息，無法獲取腦部清晰的動態圖以及觀察腦部動態特性的變化規律；其次，受限於數據處理，介觀腦圖譜的分辨率通常為數百納米，僅一個獼猴大腦的數據量就可達500TB（太字節）的超大量級。如果將分辨率進一步提高至幾十納米，那麼獼猴大腦圖譜數據量將達到數十PB（千萬億字節），足以超過一個普通數據中心的數據存儲量。人腦的神經元數量是獼猴腦的十幾倍，其數據量之龐大、所需算力之巨大，更是難以估量。

目前，我國“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃的研究，已從小型動物推進到非人靈長類，正穩步向繪製人腦介觀圖譜的終極目標邁進。“大腦地圖”的價值不只在學術研究領域。想象一下，腦疾病可以像天氣預報一樣提前預警，人工智能可以像人腦一樣思考，癱瘓患者可以通過腦機接口重新行走——這些都可能因腦圖譜的研究而成為現實。

同時，我國也在發起籌建“國際靈長類介觀腦圖譜研究聯盟”，構建面向全球開放共享的“腦圖譜數據庫”，為理解人類大腦奧秘提供關鍵基礎。

隨着同步輻射X射線神經示蹤技術、AI算法等新工具的應用，微觀尺度的“大腦地圖”或許不再遙遠，可能為理解意識、開發類腦智能帶來改變，為治療腦疾病帶來革命性的突破。站在神經科學的新起點，介觀腦圖譜正幫助我們進入“大腦導航”的時代。從基礎研究到臨牀應用，這張高精度的“大腦地圖”將持續為人類健康與科技發展提供關鍵指引。

（作者為中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心高級研究員，本報記者黃曉慧採訪整理）