人类大脑是一个非常复杂的组织，要理解大脑的工作原理首先要了解其中的细胞种类和神经联接规律，近日中国科学家联合发布系列成果给大脑绘制“高清地图”。
7月10日深夜，中国科学家联合发布介观脑图谱系列成果，实现从啮齿类到灵长类大脑的跨越。10项成果以专题论文集的形式集中发表在国际学术期刊《细胞》《神经元》《发育细胞》。
这些成果由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所，下称“脑智卓越中心”）、华中科技大学苏州脑空间信息研究院、华大生命科学研究院、中国科学技术大学、浙江大学医学院附属第一医院、郑州大学基础医学院、中国科学院遗传与发育生物学研究所、上海脑科学与类脑研究中心等国内科研机构，联合国内以及法国、瑞典、英国等多国科学家共同完成。
脑智卓越中心对第一财经介绍，本次脑图谱大科学计划系列成果由国内外30多家科研机构组成的超过300人的团队共同完成，展现了国际团队协同攻关的能力和成果，标志着脑图谱大科学计划的时机已经成熟。此次十项系列成果，上海的科学家牵头了其中五项科研成果。
大科学计划重磅进展
在中国国际大科学计划和大科学工程等国家战略的指引下，科技部将“全脑介观神经联接图谱”大科学计划（下称“脑图谱大科学计划”）作为重点培育的国际大科学计划之一。
2020年9月在上海举行的“全脑介观神经联接图谱”大科学计划国内前期工作启动会上，中国工作组宣告成立，并提出了“力争在2025年完成小鼠、2035年完成猕猴的全脑介观神经联接图谱绘制”的目标。
自启动培育以来，结合国内外领域发展态势和当前技术水平发展状况，脑图谱大科学计划的核心目标逐步聚焦在绘制非人灵长类动物和人脑全脑介观神经联接图谱。在该战略布局下，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、海南大学、华大生命科学研究院、上海脑科学与类脑研究中心等国内核心机构正在牵头，与全球顶尖科研机构及科学家开展深度合作，共同筹建“国际灵长类介观脑图谱联盟”，推进了脑图谱大科学计划在总体目标、国际分工和管理机制等方面形成国际共识，并将进一步整合技术、平台、人员、数据等资源，形成更大规模的跨机构科研合作团队，加快推动脑图谱研究进程。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士介绍，2021年中国启动脑计划，其中在几十个项目中有两个项目专门支持脑图谱，虽然数量不多，但是整个进展非常好。一个是制作小鼠脑图谱，另一个是制作猕猴的脑图谱。
蒲慕明说，原本中国脑计划的成立目标是一体两翼，一体是指在基础研究上进行大规模布局，两翼是应用的两翼，一边是对脑疾病的诊断治疗，基于我们对基础脑科学的理解，研发早期诊断和早期干预脑疾病的方案。另一翼的应用方面，即脑机接口和类脑人工智能。
他10日接受第一财经采访时说，目前他们正在推荐发起全脑介观神经联接图谱国际大科学计划，已经准备了五六年，这项工作在上海市科委的支持下进行，初期已经获得科技部批准，并成立了国内工作组。国际工作组也将在今年9月与国内工作组合作，计划成立国际介观脑图谱研究联盟。该联盟的目标是针对灵长类动物和人的脑图谱研究，与美国已经进行的小鼠图谱研究相比，这是下一个重要的图谱研究领域。
“因此我们联盟的目标是至少10到15年内完成灵长类脑图谱，这是一项艰巨的工作，需要国际合作。目前已经有20多个国家，近百位科学家有意加入联盟一起工作。灵长类的研究对我们理解人类大脑的功能以及人类脑疾病的机理研究，更有价值。”
10个系列成果有何意义
蒲慕明介绍，在一般医院中，脑影像的分辨率非常低，无法得到非常明确的单细胞层面的连接情况。因此，目前神经科学界和脑科学界的一个重大题目是将细胞种类之间的网络结构分析清楚，这称为介观图谱。介观的意思是分辨率需要达到微米层面，而一个细胞体的大小差不多10微米，因此我们只有达到微米层面才能够了解细胞之间的连接是如何产生的。因此，脑图谱研究内容包括细胞类型，细胞种类如何分布，以及细胞之间连接网络的结构，是他们在这个领域最主要的工作。
本次集中发布的系列成果，覆盖爬行类、鸟类、啮齿类、非人灵长类和人类等关键物种，整合了转录组、联接组等多模态数据，进一步扩充了国际脑图谱在跨物种比较和时空动态解析方面的内涵；与以往成果的点上突破不同，本次系列成果以“自主技术迭代”为牵引，推进建立了从“环路解析-进化解密-疾病解码”的研究体系，有望推动实现从“结构到功能”的质的跨越，为深入解密大脑提供了全新视角与关键手段。
其中，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心刘真研究员和脑智中心孙怡迪研究员、临港实验室李昊研究员等合作建立了多组学增强子预测系统、猕猴在体筛选和多维验证系统，鉴定得到能够特异性标记猕猴皮层不同层兴奋性神经元、三种抑制性神经元亚型及胶质细胞的增强子，并生成112种细胞特异性AAV载体工具集，突破了传统转基因模型的局限性，标志着灵长类脑科学进入了精准细胞类型研究新阶段。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘真研究员在介绍成果时说，在我们的灵长类大脑里有成百上千种细胞，它们相互之间连接组成一个网络，那么这个网络就是我们大脑执行功能的基础。
当知道有这些细胞类型、知道它们的连接之后，如果想要它的功能就有一个非常关键的鸿沟——这些不同的细胞类型相互之间连接组成的网络，所以就需要研究在网络中、在不同行为认知过程中，大脑的哪些细胞是怎么相互协调来发挥功能的。“所以需要有一个关键技术能够把不同的细胞类型都能给标记出来。”
蒲慕明谈到追踪细胞的技术难度时说，追踪一个细胞需要很多人共同工作，每个人至少需要几个小时的时间进行追踪一个神经细胞的投射谱。在荧光标记之后，细胞追踪还不能完全自动化，需要做人做决策，因为连接有时可能会断掉。如何做决定它们是否是同一根轴突，需要几个人一起对同一个细胞的轴突走向得到共识，这需要有一套程序，所有需要花费大量功夫才能完成几千个神经细胞的成像追踪。
脑图谱首先需要确定所有细胞种类，基本上5年内确定灵长类所有细胞的种类没有问题。在确定各种细胞种类之后，你需要了解哪些种类的细胞与哪些种类的细胞产生连接，这就是追踪神经连接。追踪需要花费很大的时间。猕猴所有脑区的各种种类中大约有1000种细胞，灵长类有几十个亿的细胞。但是如果做每一种类型几百个有代表性的细胞，就可以大致了解这种类型的投射模式。因此在上千个种类的神经细胞与各个脑区的连接能够画出有代表性的路线图，相信猕猴神经连接图谱在10年之内有希望完成。
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