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《瞭望》新闻周刊:中国科学院院士海南大学校长 骆清铭:“看见”大脑

时间: 2021年09月13日 15:40 来源: 点击:[]


中国科学院院士、海南大学校长骆清铭


➤以工业化的方式大规模、标准化地产生数据并绘制脑图谱,将改变神经科学已有的研究方式

➤“全脑介观神经联接图谱”大科学计划目前已凝练了攻关研究方向,提出了合理研究目标,正处在起跑前的准备阶段。这一重大研究计划的实施,将有望使我国在该领域取得世界领先地位

➤非人灵长类动物全脑的介观图谱测绘新技术,将极大推进对大脑结构和功能的理解,从“看”得见,到“看”得清、“看”得懂

  文 |《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺

脑科学被公认为是自然科学的最后疆域,吸引了全世界众多科学家为之奋斗。在过去一个世纪,脑科学研究取得很大进展,但对大脑这一最复杂的器官如何运行,人们仍然知之甚少。特别是大脑如何感知外界、如何做出决策、如何左右情绪等复杂的脑功能,人类依然是盲人摸象,未知远大于已知。

研究黑洞般的大脑,首先需要“看见”大脑。

中国科学院院士、海南大学校长骆清铭率领团队历时十余年,发明显微光学切片断层成像技术(MOST),首次获得了亚微米分辨率的小鼠全脑高分辨图谱,首次展示了鼠脑轴突的长距离追踪,为实现单神经元分辨水平的全脑三维可视化(全脑介观神经联接图谱)研究提供了重要研究手段。

骆清铭还与中科院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士共同发起“全脑介观神经联接图谱”大科学计划。该计划将使用最接近人类的非人灵长类等动物模型,在单细胞分辨率上绘制具有神经元类型特异性的全脑联接图谱。

骆清铭告诉《瞭望》新闻周刊记者:“绘制脑联接图谱,是认知脑功能并进而探讨意识本质的科学前沿工作,对脑疾病防治、智能技术发展也具有引导作用。”

大脑:“看见”“看清”,更要“看懂”

《瞭望》:现在老年痴呆、帕金森病、抑郁和自闭症等脑疾病还不能及时有效治疗,主要的技术难题是什么?

骆清铭:实现对脑疾病防治的重要前提是认识脑、理解脑。脑的结构极其复杂,从脑区、细胞到突触,分子跨越多个层次,空间尺度覆盖5~6个数量级。因此,认识脑结构与功能需要恰当的观测手段,但现有技术存在很大局限性,所能获得的信息都是片面的、局部的。

可以说,认识脑结构与功能面临的技术挑战是全方位的。

从“看得见”层面,需要发展标记示踪技术,把感兴趣的结构与周围脑组织区分开,使它们能被看见。

从“看得清、看得全”层面,需要发展成像技术,不仅要能分辨脑的不同组成单元,微小如细胞、单个轴突、单个突触也能被清晰分辨,同时又要能将成像范围覆盖完整全脑,做到处处可辨。

从“看得懂”层面,则需要发展海量数据存储、处理与可视化技术,从中高效提取脑科学研究所需的有用信息,进而转化为新知识,帮助人们改变对脑和疾病的认识。

可以说,每个层面面临的挑战都是巨大的。

《瞭望》:为了“看见”大脑,科学家研究了哪些技术?

骆清铭:各国科学家发展了各种各样的技术。按分辨水平,脑图谱可分为宏观、微观和介观不同层次。

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之间的联接关系。MRI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,但电镜的成像范围极其有限,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。

我的团队在过去20多年发展的MOST系列技术则是介观脑图谱绘制技术的代表,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。以MOST为核心的全脑定位系统(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。

BPS与电子显微镜和功能磁共振等技术的互相补充、融合,将构建出更完备的脑空间信息技术体系框架。

《瞭望》:你提出的脑空间信息学的基本内涵是什么?

骆清铭:脑空间信息学是以脑联接的基本结构与功能单元为研究对象,揭示脑联接空间信息机制,引导脑疾病防治与智能技术发展的新兴交叉学科。

脑空间信息学以脑科学和信息科学的基本理论为指导,运用新兴的全脑高分辨精准空间定位与成像方法。如BPS,同时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,以细胞/轴突/毛细血管分辨水平的高分辨率,在全脑范围测量与绘制脑结构和功能信息的三维空间分布及其动态变化。如神经元投射、神经/血管分布、基因组/蛋白组/代谢组/转录组分布等,从而获取三维精细的脑联接图谱、建立标准化的数据体系。

由此更进一步,运用数据科学和计算神经科学,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跨越式发展。


华中科技大学苏州脑空间信息研究院科研人员正在为鼠脑成像


将改变神经科学已有的研究方式

《瞭望》:国际学术界对MOST有何评价?

骆清铭:生物组织中广泛存在的散射和吸收,会导致在组织内部成像时,随深度加深图像质量有所下降,直至无法成像。因此,我们提出将光学成像与组织切削相结合的策略,来打破光学成像的深度限制,同时保持始终在样本表面成像以保证所获图像质量达到最佳水平。

我们将全脑样本进行塑性包埋以实现硬化处理后,将其置于我们自主研发的MOST系列成像仪器上,对样本表面进行边成像边切削的数据采集,直至完成整个样本的成像。整个过程在纳米精度控制的三维平移台上自动运行,确保连续获取的图像之间具有天然配准性,便于后期进行三维图谱的绘制和处理。

2010年,我们在《科学》杂志首次发表“显微光学切片断层成像(MOST)获取小鼠全脑高分辨率图谱”的成果,在世界上率先实现哺乳动物单神经元分辨的全脑三维成像,这是我们团队经过近10年的技术攻关完成的。《科学》评价该工作“来自中国的团队竭尽全力地创造出最精细的小鼠全脑神经元三维联接图谱”“没有一家能达到与中国工作类似的精细程度”“所提供的数据和新的自动化脑图谱获取仪器将会为未来的研究提供重要基础”。该技术入选“2011年度中国科学十大进展”,并获得2014年度国家技术发明二等奖。

《瞭望》:有了MOST的良好基础,你们又做了哪些工作?

骆清铭:在MOST基础上,为满足不同类型的神经科学研究需要,我们团队发展了具有不同成像特点与系统性能的系列成像技术。例如荧光显微光学切片断层成像技术(fMOST)、双色荧光显微光学切片断层成像技术(dfMOST)、高清晰荧光显微光学切片断层成像技术(HD-fMOST)等不同类型。

2013年,我们利用fMOST首次在单神经元水平实现了小鼠全脑荧光成像。这意味着,我们可以利用fMOST追踪每根神经元联接的来龙去脉,帮助深入了解大脑结构。当年的《自然·方法》评价其为“首次展示了鼠脑内一根根轴突的长距离追踪”。

2016年,我们在《自然·通讯》发表了dfMOST技术,利用细胞构筑染料在组织中渗透缓慢的特点,提出实时复染的新概念,在不增加额外时间消耗的情况下实现全脑高通量双色精准成像,可以同时在单细胞水平解析全脑神经联接形态和空间定位,为研究者提供了一种精准分析介观尺度甚至微观尺度神经解剖结构的工具。《自然·方法》评价该工作“使用该技术获得的脑图谱毋庸置疑地将是对理解脑联接和脑功能具有重要价值的资源”。

此后,为解决在复杂背景中对特定目标细胞进行精确成像,我们团队提出了线照明调制显微成像新技术,重建出清晰的光学层析图像。理论和实验均证明,该方法实现方式简单,成像质量极佳,解决了传统光学显微成像过程中无法同时兼顾高分辨、高通量和高清晰度的问题。将该技术与薄层组织切片技术相结合,我们研制了HD-fMOST系统,其高信噪比和高清晰度的原始数据,让自动和人工追踪神经元形态更简便、更稳定、更准确和更高效,大大提高了工作效率。这项工作于今年3月发表于《自然·方法》。

这些光学切片断层成像技术统称为BPS,该系统已迅速为国内外十余家神经科学研究单位应用,在脑科学研究中发挥着重要作用。2017年,美国国立卫生研究院面向全球征集有独特优势的脑研究新技术,美国艾伦脑科学研究所、冷泉港实验室同时申请用fMOST技术开展全脑细胞类型普查研究,研究成果将于近期在《自然》发表。

《瞭望》:你们团队还进行了哪些开创性工作?

骆清铭:围绕高分辨脑联接图谱研究,我的团队还在神经环路标记、海量大数据处理及可视化领域进行了探索。2014年,我们在《自然·通讯》发表文章,揭示了树脂包埋样本中荧光蛋白分子的质子化机理,提出重激活荧光蛋白分子的新方法。2016年,建立从大范围密集神经群落数据中自动重建出单神经元结构的方法,发表在《自然·方法》。2019年,我们在《自然·神经科学》发表文章,绘制了最详尽的小鼠内侧前额叶皮层的全脑输入图谱,并提出基于环路结构和共投射模式的神经元分类方法,为神经环路的组织架构研究开拓了新的思路。

在脑血管图谱研究方面,我们建立了小鼠全脑的尼氏染色和树脂包埋方法,利用MOST技术以1微米分辨率,同时获得小鼠全脑细胞和血管的图像,发展了相应的自动识别和分割算法。进一步,我们建立了获取、处理和分析脑血管数据的技术体系,构建了哺乳动物全脑精细血管立体定位图谱。该研究首次在全脑范围内系统性构建和标识出包含动脉、静脉、微动脉和微静脉的精细脑血管图谱,不仅对完整血管树进行三维重建,而且利用同步获取的细胞构筑图像提供的解剖信息,在单细胞水平实现了血管分支的立体定位。得益于MOST成像技术的高分辨率,我们发现了许多之前未曾报道的静脉分支,也定量分析了动脉、静脉血管与脑区的连通性及供血关系。该图谱为脑功能和脑疾病的研究提供了重要的基础性资源数据。

2016年,我们团队得到江苏省、苏州市和苏州工业园区的支持,获得4.5亿元投资,成立华中科技大学苏州脑空间信息研究院,以工业化的方式来绘制脑图谱。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,我们由此获得了目前世界上最清晰的哺乳动物脑图谱。《自然》对此进行专题报道,并引述国际专家评价“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”。

我们的研究将极大推进对大脑结构和功能的理解

《瞭望》:“全脑介观神经联接图谱”大科学计划目前进展情况如何?

骆清铭:经过多年的充分研讨,目前该计划已凝练了攻关研究方向,提出了合理研究目标,正处在起跑前的准备阶段。相信这一重大研究计划的实施,将有望使我国在该领域取得世界领先地位。

《瞭望》:你的研究方向将在这一大科学计划中发挥什么作用?

骆清铭:过去十多年的应用证明,我们发展的BPS技术,是目前在介观水平绘制脑图谱最稳定、最可靠、分辨率最高、数据质量最好的成像技术。我们拥有全链条“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,BPS是迄今国际上唯一可以在哺乳动物全脑获取轴突分辨的神经元完整形态,并以单细胞精度提供空间定位信息的技术,即介观水平定义全脑三维空间的定位坐标。

近日,由中国科学院主办的《科学通报》在线发表了我们针对非人灵长类动物全脑的介观图谱测绘新技术。由于猕猴脑是小鼠脑体积的200倍左右,我们解决了大样本处理、自动化成像及PB量级数据分析的技术难题,真正实现了猕猴全脑内轴突投射和解剖定位的三维连续解析。该技术在单神经元完整形态的获取及其全脑联接关系的解析上,具有不可替代的技术优势。我们的研究将极大推进对大脑结构和功能的理解,从“看”得见,到“看”得清、“看”得懂。

《瞭望》:发展脑科学研究,你还希望获得哪些支持?

骆清铭:工欲善其事,必先利其器。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。在国家自然科学基金和科技部有关项目的支持下,我和团队长期致力于发展BPS技术,有幸保持了十余年的领先位置。我们希望能继续得到支持,包括科研项目、人才项目和成果转化政策等,以便聚集优势队伍,形成合力,在脑科学研究中发挥更大作用,继续保持国际领先优势。

 

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