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骆清铭院士:如何给大脑神经精准定位?中国开始领跑

第一财经 2022-11-28 14:09:32

作者:钱童心    责编:陈姗姗

生命科学的每一次发展,都以重大技术的进步为前提,脑科学研究也不例外。随着技术的发展,人类发明的很多技术都能够帮助科学家观察大脑。

比大海更加深不可测的就是人类的大脑了。对于大脑的研究以及脑疾病疗法的开发,前提首先是要“看清”大脑。

随着技术的发展,人类发明的很多技术都能够帮助科学家观察大脑。例如磁共振成像(MRI)是典型的宏观脑图谱绘制技术,它能帮助我们看到脑区层次的响应和彼此联接的关系;而电子显微镜则是绘制微观脑图谱的重要手段,可以用纳米分辨率对局部突触联接进行解析。

但宏观与微观的观察手段都无法达到理想化,MRI虽能快速观测全脑,但不能在神经元/细胞分辨水平真实反映脑结构与功能活动,也就是说它“看不清”;电镜的成像范围又极其有限,难以“看全”,有人测算过,即使只对1立方毫米的脑组织进行电子显微镜成像,也需要1万人1年的工作量。

为了使得科学家既能“看清”、又能“看全”大脑,中国科学院院士、海南大学校长骆清铭带领团队攻关20多年,开发了一种被称为显微光学切片断层成像(MOST)的技术,从介观层面来观察大脑,能够对脑功能的基本单元神经元细胞的完整形态及其组成的全脑网络联接进行清晰成像,这种成像方法的应用前景广阔。

11月27日,骆清铭在中国神经科学学会第十五届全国学术会议(CNS 2022)上介绍了MOST技术的进展并回答了第一财经记者的问题。

他介绍了MOST高分辨率成像技术的原理:通过用树脂包裹住鼠脑,形成如同胶囊大小的“琥珀”,成像仪器的金刚石刀片将浸泡在溶液中的鼠脑标本切割成1微米厚的薄片,边切边拍照,一只鼠脑大约切1万层,最后合成三维脑图谱,由此获得了目前世界上最清晰的哺乳动物脑图谱。

过去几年中,凭借MOST技术,骆清铭团队在全球首次获得了亚微米分辨率的小鼠全脑高分辨图谱,并展示了鼠脑轴突的长距离追踪。

然而,比MOST更为宏大的计划是绘制全脑介观神经联接图谱。骆清铭告诉第一财经记者,下一个目标是实现单神经元分辨水平的全脑三维可视化,也就是精准地定位大脑神经。“目前全脑介观神经联接图谱计划已经开始起跑,中国有望在这一大科学领域拔得头筹,跑在世界前列。”他表示。

骆清铭研究光学出身,曾搭建双光子成像系统,并尝试在微电极阵列上培养神经元网络。在回答第一财经记者为何从事脑科学研究时,他自称是“搞工程的”、“不过对脑科学特别感兴趣”。为此,他提出了脑空间信息学的概念,运用新兴的全脑高分辨精准空间定位与成像方法,如全脑定位系统(BPS),既能在亚细胞分辨水平、又能在全脑范围实现脑精细结构的观测。

而观测只是第一步,根据骆清铭的设想,未来结合多种前沿脑科学研究技术,标记、获取、分析和可视化具有明确空间尺度和位置的精细脑网络结构与功能信息,有望获取三维精细的脑联接图谱、建立标准化的数据体系。

在此基础上,运用数据科学和计算神经科学,未来科学家还能从大数据中提取跨层次、多尺度的脑联接时空特征,如神经元和血管走向、同类型神经元的覆盖范围、神经元之间的时空联接特征及投射方向等,建立模型,揭示感知、记忆、意识和情感等脑联接空间信息机制,从而促进脑健康与智能技术的发展。

《自然》杂志几年前曾对骆清铭发明的全脑定位系统进行过专题报道,并引述国际专家评价称:“这种以工业化的形式大规模、标准化地产生数据,将改变神经科学已有的研究方式。”

骆清铭告诉第一财经记者,这些成像设备都是自己采购零部件来生产组装制造,拥有全链条样本处理、三维高分辨率全自动成像、大数据处理与分析的自主知识产权。

第一财经记者了解到,目前全脑定位系统已迅速为国内外十余家神经科学研究单位应用,包括美国艾伦脑科学研究所、冷泉港实验室都在申请用MOST技术开展全脑细胞类型普查研究。

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