深圳科學家實現全球最高精度獼猴大腦三維高清成像

2021年07月28日04:09

原標題:深圳科學家實現全球最高精度獼猴大腦三維高清成像

獼猴丘腦神經元群體投射

獼猴丘腦神經元單軸突投射與追蹤

  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,對腦科學研究有著重要作用。長久以來,為了能“看清”大腦的內部結構,瞭解其運轉機製,科學家們都在嚐試繪出一幅包含連接性、功能和微觀結構的大腦高清“地圖”,然而其技術難度極大。

  7月26日,中國科學院深圳理工大學(籌備中,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、徐放副研究員率領的中科院深理工/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》。該研究團隊曆時五年,通過自主研發的高通量三維螢光成像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解像度三維解析,這是目前世界上最高精度的靈長類動物的腦圖譜。

  據悉,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。

  文/廣州日報全媒體記者王納

  圖片由研究團隊提供

  在獼猴層面實現大腦三維高清“地圖”

  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。由於技術限製,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解像度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高速三維螢光成像技術,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瞄照明與同步成像,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微米三維解像度的圖像採集,項目中兩隻獼猴大腦圖像原始數據量超過了1PB,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著非常龐大的信息量,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

  大腦有著上億個神經元,其長長的神經元軸突就像是電線,延伸到大腦的各個區域,發揮著傳輸信號的功能。只有對全腦進行微米級解像度的成像與重建,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。

  “他們的初步觀察表明,大腦皮層下方白質中的許多軸突具有出乎意料的複雜軌跡,包括與皮層摺疊相關聯的急轉彎。這一發現可能對理解大腦形態發生和‘布線長度最小化’原則具有深遠的意義。”美國科學院院士、神經生物學與解剖學家、華盛頓大學大衛·馮·埃森教授表示,研究團隊克服了艱難的技術障礙,實現了完整的數據採集和分析流程,用於詳細繪製和可視化單個獼猴神經元的長距離軸突軌跡和神經連接。該研究是一項技術傑作,標誌著我們在獼猴整腦中準確有效地繪製長距離連接的能力取得了驚人的進步。

  中國科學院院士、浙江大學腦科學與腦醫學學院院長段樹民教授評論道,近些年來對小動物介觀全腦圖譜繪製技術取得了很大進展,但對靈長類等大動物全腦的介觀成像,在很多技術層面(如成像速度、大範圍高精度成像、大數據處理等)上仍然面臨巨大挑戰。畢國強團隊研發的包括VISoR和SMART等集成技術為解決這一難題提供了可行的手段。

  “VISoR技術作為當前世界最快的大尺度三維組織成像方法,可以對各種模型動物大腦進行高通量、高精度的定量解析,並可擴展至其他組織器官,在大規模藥物篩選、快速病理診斷,以及更大型生物樣品成像等領域都有廣闊的應用前景。這項技術產生的超大規模數據與人工智能技術的結合,將有望幫助理解人類大腦和身體器官的精細結構及其在疾病中的變化規律,加速醫療診斷和藥物研發,促進人類健康。”論文共同通訊作者畢國強表示。

  據瞭解,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。

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