深圳科學家實現迄今最高精度獼猴大腦三維高清成像

（香港文匯網記者 郭若溪）大腦作為結構和功能最複雜的器官，是生命活動的司令部，識別大腦的三維結構，對腦科學研究有着重要作用。長久以來，為了能「看清」大腦的內部結構，了解其運轉機制，科學家們都在嘗試繪出一幅包含連接性，功能和微觀結構的大腦高清「地圖」並做出諸多努力，然而其技術難度極大。

7月26日，中國科學院深圳理工大學（簡稱中科院深理工）/中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱「深圳先進院」）腦認知與腦疾病研究所畢國強教授、劉北明教授、徐放副研究員率領中科院深理工/深圳先進院、中國科學技術大學和合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院團隊的最新研究成果發表於《自然—生物技術》。研究團隊歷時五年，通過自主研發的高通量三維熒光成像VISoR技術和靈長類腦圖譜繪製SMART流程，實現了獼猴大腦的微米級分辨率三維解析，這是目前世界上最高精度的靈長類動物的腦圖譜。

大腦是一個三維立體結構，其內部的神經網絡結構就像是地球表面錯綜複雜的道路與河流，繪製大腦圖譜就是要把這些河流與道路測繪出來，精細分解和描繪大腦複雜的三維結構。

為了理解人類大腦，科學家需要將果蠅、小鼠等作為基準和模型，其中獼猴是研究最為深入的非人類靈長類動物，為理解人類大腦健康和疾病提供了最佳模型系統。由於技術限制，目前的腦圖譜研究主要集中於小鼠層面，國際通用的成像技術對小鼠進行微米分辨率全腦成像通常需要數天的時間。獼猴腦體積為鼠腦的200倍以上，要在較短時間內完成獼猴全腦成像是一項極大的挑戰。

此前，研究團隊經過數年的攻關，研發了VISoR高速三維熒光成像技術，該項成果於2019年發表於《國家科學評論》。這一技術通過斜截面掃描照明與同步成像，實現了在樣品連續運動時進行無模糊的圖像採集，消除了傳統大樣品成像需要在不同的小視野切換、停頓所帶來的時間損失，數據採集速度比當前通用於小鼠腦圖譜繪製的幾種三維光學成像技術提升了數十倍，使得猴腦圖譜解析成為可能。

除了成像通量的挑戰，對獼猴腦進行高分辨全腦成像還面臨溝回結構複雜、組織透明度差等多方面的困難。在通過了嚴格審核的倫理規範下，科研人員對獼猴大腦展開研究，採取先對離體大腦進行包埋切片的方式，使得溶液滲透效率僅依賴於切片厚度，而不受其大小的影響，並且發展了高折射率的PuClear組織透明化方法，對腦片的灰質與白質不同部分、不同深度達到均勻透明。然後通過改進的VISoR2系統，最終對獼猴全腦樣品在100小時內完成1×1×2.5微米三維分辨率的圖像採集，項目中兩隻獼猴大腦圖像原始數據量超過了1 PB，約相當於113塊10T硬盤的數量存儲大小。

「如此海量的數據蘊含着非常龐大的信息量，但也為數據分析帶來極大的挑戰。」徐放表示。面對龐大的數據體積，研究團隊開發了自動的三維圖像拚接技術，實現了獼猴大腦的三維圖像重建。「目前這項工作只是一個非常初步的開始，未來我們還需要更多的數據科學家的合作參與，進行更深入的圖像數據挖掘和分析，共同理解靈長類動物的大腦精細結構與智能的關係。」

實現神經元的長距離追蹤 發現新路徑

大腦有着上億個神經元，其長長的神經元軸突就像是電線，延伸到大腦的各個區域，發揮着傳輸信號的功能。只有對全腦進行微米級分辨率的成像與重建，才能對單個神經元軸突形態進行完整描繪。

研究團隊開發了漸進式的半自動追蹤技術，實現了對神經元軸突的長距離追蹤，並基於前期工作基礎，發現了前所未知的獼猴軸突纖維投射特性及其在大腦皮質溝回處轉折延伸的多種路徑形態。

據了解，研究團隊將深入研究靈長類大腦結構的組成，以及其與大腦智能的關係和疾病中的變化，並與醫院、人工智能相關公司開展合作，繼續開發相關技術，用於動物及人類器官病理組織的高分辨全景三維成像。

中科院深理工/深圳先進院副研究員徐放，中國科學技術大學研究生沈燕、丁露鋒、楊朝宇為論文第一作者。中科院昆明動物所胡新天團隊、中科院深理工/深圳先進院徐富強團隊、美國麻省理工學院、南加州大學以及加州大學洛杉磯分校等單位科學家共同參與該項工作。