二〇二〇年中华将绘成斑马鱼全脑介观图谱

作者: 白小姐四不像的图  发布:2019-08-30

人类虽已能观察亿万星辰、探测时空涟漪,却对自己认知世界的大脑所知甚少,大脑的精细结构如何都还只是估测。

斑马鱼之外,更复杂的鼠脑、猕猴脑的图谱绘制工作在同步推进。华中科技大学副校长骆清铭团队利用历时16年完成的显微光学切片断层成像技术,已获得小鼠全脑及细胞构筑、血管网络和神经元形态的三维重建图谱。今年1月中国诞生的体细胞克隆猴,被视为明确所有基因序列、能实施可探测标记的全脑图谱绘制的实验样本。

为揭开大脑的奥秘,中国科学家计划为人脑中错综复杂的神经元和血管绘制出最精细的三维“地图”。

(科技日报北京5月2日电)

他说,这是真正意义上多学科交叉研究,要有生物、化学背景的人员制备样本;有光学、机械、控制等工程技术人员研制成像仪器;还要有计算机人才,处理大数据,并将结果展示出来。

“我们还能实时捕获斑马鱼捕食草履虫时的神经活动,”杜久林说,这突破了两个此前的限制,一是全脑所有神经元活动的追踪、二是研究对象是清醒的斑马鱼而非标本。“下一步,我们将研究神经环路和功能的对应关系。”

那些年,骆清铭承受了巨大的压力,不知何时能出成果,但他始终带领团队坚持着。

“介观”介于“宏观”和“微观”之间,研究纳米、微米级别的神经元细胞的类型和活动。“斑马鱼全脑介观图谱不只要绘制20万个神经元的位置,还要完成神经元细胞的分类,并确定几百种神经元细胞的输入和输出活动,每个种类完成至少10个脑活动的追踪。”蒲慕明说。可以理解为,画出神经元分布图、确定“角色”(哪些管运动、哪些管情感、哪些管思考)、确定动作或情感与神经元“输入”“输出”的对应关系。

52岁的骆清铭是湖北蕲春人,出身农家,有着艰苦的求学经历。上世纪90年代,从事光电子研究的骆清铭在美国留学期间,在世界上首次用近红外光学的方式成像检测出了脑的活动,所发明的技术获得了美国专利。1997年,骆清铭放弃国外优越的条件回到母校华中科技大学。

人脑研究全球仍未“破冰”,停留在脑区的宏观层面。2018年,北京大学发布了基于高质量大样本的中国人脑精细结构模板,使得中国人脑的研究无需基于西方人的结构模板。“多个中国医生的临床研究表明,中国人脑的语言区与西方国家发布的结构模板非常不同,不能照搬。”北京大学教授高家红说。

领导这项研究的海南大学校长、华中科技大学苏州脑空间信息研究院首席科学家骆清铭说:“人类缺乏大脑的观测手段,尚无法‘既见树木又见森林’。我们要提供新的观测手段,获得清晰的人脑图谱,看清神经元网络是如何连接的,这将帮助分析脑疾病的机理,并推动类脑人工智能的发展。”

二○二○年我将绘成斑马鱼全脑介观图谱

“脑连接及脑活动在时间、空间上不断演化,给解析脑功能带来极大挑战,但我们有理由相信,脑功能与脑活动依赖于最基本的细胞单元,好比电路网络依赖于其最基本单元——电子元器件。不同类型的神经元是解析脑功能的基础,更是脑疾病诊断与治疗的重要依据。”骆清铭说。

“介观全脑活动数据量巨大,以50纳米为层高边切片边扫描,完成1立方毫米的鼠脑活动的高效成像、数据解析为例,利用现有仪器需要9年时间。”中科院自动化所研究员韩华介绍,为此,他们研究的拥有自主知识产权的高通量电镜三维影像系统正在逐步提高成像技术和识别算法的速度,做到高精、快速。利用该平台,中科院神经科学研究所研究员杜久林团队完成了大脑体积约为0.5立方毫米的幼龄斑马鱼全脑神经联接图谱的绘制。

这项浩大工程犹如给一座由近千亿棵树木组成的巨大森林拍出三维照片,既要看全整座森林,又要看清每一棵树上的每一根细枝和每一片树叶。

“到2020年完成有20万个神经元的斑马鱼全脑介观图谱的绘制。”5月2日,香山科学会议召开“全脑介观神经联接图谱”国际合作计划特别会议,中国科学院外籍院士、中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明介绍,中国科学家将从模式动物斑马鱼入手从全脑尺度上解读脑工作原理,利用期间形成的脑科学研究技术,进一步于2030年完成猕猴全脑介观图谱。

苏州脑空间信息研究院副院长李安安说:“目前我们对大脑的认识水平还处于十分初级的阶段,虽然能看到一些现象,但它们代表着什么还解释不清,就像是在巨大黑箱子里一点点摸索。”

“我很庆幸赶上了改革开放后的好时代,觉得要为国家做点事。我当时的研究是一个新兴领域,希望能回国在脑研究上继续‘做文章’。”骆清铭说。

尽管国际学术界认为绘制精细的脑图谱非常重要,但因为这项研究极为困难,学科跨度非常大,还未能获得成果。

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“大脑像豆腐一样软,将脑样本固定并将其中的神经和血管标记出来是很难的。仅是脑样本制备的难题,我们就花了三年时间才攻克。”骆清铭说。

“我们重视发展新技术新方法,研发出具有自主知识产权的科学仪器,再用它去开展应用研究、解决科学问题。”骆清铭说。

为什么有的大脑能洞见美妙的宇宙法则,有的能创作出扣人心弦的乐曲与画作?记忆和意识是如何产生的?

骆清铭借助华中科技大学多学科交叉的优势,仅以20万元资金和一间25平方米的实验室启动了脑科研项目。

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