7月10日深夜，國際頂尖學術期刊《細胞》首次以專輯形式集中呈現(xiàn)來自中國腦科學的10項重磅成果。

　　此次，由中國科學家主導實現(xiàn)了多項“世界首次”“全球率先”的突破，有望推動腦科學研究從結構到功能的跨越，為深入解密大腦提供了全新視角與關鍵手段。

　　專輯中的10篇論文，由國內外30多個科研機構、300多名科研人員共同完成。從鼠腦到猴腦，腦圖譜研究的這一步“躍遷”背后，不僅意味著大量技術瓶頸的突破，更體現(xiàn)了“有組織科研”的前瞻布局和協(xié)同效能。

　　國際上，各國在腦研究領域的競爭已趨白熱化。此次中國腦計劃成果的全球集中首秀，讓中國腦科學走到了世界學術舞臺的聚光燈下。

　　三個“世界首次”工具占兩項

　　此次《細胞》專輯中，有3篇論文創(chuàng)下“世界首次”，牽頭科學家分別是中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心的嚴軍、劉真，以及中國科學技術大學的畢國強。

　　“工欲善其事，必先利其器”，自2018年上海市市級重大專項立項開始，腦智中心通過頂層設計，進行針對性布局，以攻關克隆猴模型、示蹤觀測等技術。

　　研究靈長類大腦，看清腦細胞“怎么走、怎么連”，過去沒有便捷高效的工具，為此劉真團隊建立了靈長類神經細胞特異性標記、神經活性調控及觀測工具集。劉真介紹，通過學科交叉合作，他們找到了可以標記不同層興奮性神經元和抑制性神經元亞型的增強子，“工具集的成功開發(fā)標志著非人靈長類腦科學進入精準細胞類型研究的新階段”。

　　

 

　　畢國強團隊則用自主研發(fā)的高速三維顯微技術，實現(xiàn)了40小時內成年小鼠全身的均一亞細胞分辨率三維成像。“這是大家想做、但一直無法完成的工作。”團隊成員徐程介紹，他們打破了大體積樣品三維成像的技術瓶頸，解析了周圍神經在全身投射的精細結構，甚至能夠追蹤到單個神經元在皮膚上的投射軌跡。。

　　

 

　　對于嚴軍團隊繪制的“獼猴前額葉皮層神經元全腦投射圖譜”，審稿人給予了“獨一無二”“開創(chuàng)性工作”的評價。前額葉是負責高級認知功能的最關鍵腦區(qū)，團隊成功重構了當前世界上最大規(guī)模的獼猴全腦介觀連接圖譜。該研究顛覆了以往神經元“越高級、越復雜”的猜測，發(fā)現(xiàn)了“越高級、越簡單”的真相——就好像小公司員工往往“一人多能”，大公司員工反而任務專一，以實現(xiàn)公司整體的高效運轉。

　　

 

　　探索最前沿，“手搓”與AI并用

　　與小鼠大腦圖譜繪制產生的研究數(shù)據(jù)相比，獼猴大腦的數(shù)據(jù)至少增加100倍。如此海量數(shù)據(jù)，是腦科學研究從未遇到過的挑戰(zhàn)。為此，腦科學家們找到騰訊AI實驗室、華大生命科學研究院，解決數(shù)據(jù)難題。

　　華大生命科學研究院基因多維解析技術全國重點實驗室主任徐訊回憶，2021年，他遇到中國科學院院士、腦智中心學術主任蒲慕明，才發(fā)現(xiàn)華大自主研發(fā)的時空組學Stereo-seq技術竟與腦圖譜研究需求十分貼切。于是，當年春節(jié)，雙方團隊放棄休息開啟一場跨界合作，甚至為此改造芯片。如今，已經發(fā)展起4套技術平臺，專門用于腦圖譜研究。

　　

 

　　然而，在探索大腦這個“無人區(qū)”時，AI并非萬能。很多時候，團隊要另辟蹊徑，甚至用人工“手搓”。

　　2231個!繪制獼猴前額葉單神經元的全腦精細投射圖譜，工作量極其浩大。為此，嚴軍團隊將天文領域利用“公眾科學”處理海量數(shù)據(jù)的方法，首次引入腦科學研究。尋找神經元投射的路線，簡化之后如同兒童“連連看”游戲——讓AI來做，反而算力消耗巨大，且準確率不高。于是，他們開發(fā)了一款軟件，簡單到小學生在手機App上就能完成。該團隊茍凌峰副研究員更是通過多年努力，自主開發(fā)出“多人在線”數(shù)據(jù)軟件，可讓許多人同時處理一張圖片，將研究時長一下縮短幾十倍。

　　腦智中心沈志明團隊繪制出了全球首個非人靈長類屏狀核的空間組圖譜。盡管華大團隊的技術提供了極大幫助，但諸如給位于大腦深處的屏狀核“打針”、復雜組織切片處理、確定屏狀核邊界等工作，只能靠人工一點點查文獻、做標記，甚至用手的溫度來一點點融化冷凍切片，避免氣泡與褶皺，確保每一張組織切片與基因芯片都切貼得完美無瑕……

　　

 

　　未來20年，人腦聯(lián)接圖譜將有小成

　　通常，生命科學研究的作者數(shù)量不會超過二三十人。此次專輯中不少論文的作者數(shù)量常有幾十人，最多的一篇作者署名多達92人，包括法國、英國、瑞典等多個海外科研機構。

　　“這說明，通過十年努力，中國腦研究正在形成一個具有全球吸引力、世界影響力的國際大科學團隊。”蒲慕明說，過去，基礎研究課題組習慣于單打獨斗，但到了探索靈長類大腦的階段，必須通過”有組織的科研“融匯各種創(chuàng)新資源協(xié)力攻關，才能向腦科學的終極目標發(fā)起沖擊。

　　不僅自己的論文合作者眾多，沈志明也是同專輯其他多篇論文的合作者。“大家在科研上互通有無，技術與資源上相互支援，已成為一種常態(tài)。”他說，用于追蹤神經元聯(lián)接路徑的逆標染料標記法，是法國里昂干細胞與腦研究所的核心技術，為此他去法國學習了三個月。回來后，他開發(fā)了更高效的非人靈長類圖譜繪制技術，還用這些技術幫助了不少團隊，甚至反哺法國團隊。“我們的研究吸引了法國合作者，他們不僅拿出自己積累的獼猴聯(lián)接組數(shù)據(jù)，供我們使用，甚至還愿意自帶經費，加入我們的研究。”

　　蒲慕明認為，此次《細胞》系列期刊推出專輯，同樣是“大兵團協(xié)作”的一次成功體現(xiàn)——專輯投稿一年前就開始規(guī)劃，大家齊心協(xié)力按照節(jié)點完成研究，既促進了合作，又激勵了團隊。

　　這次成果的集中亮相，標志著我國腦圖譜研究實現(xiàn)了“從鼠腦到猴腦”的跨越。蒲慕明認為，樂觀估計，獼猴的重要腦區(qū)的神經聯(lián)接圖譜有望于2035年完成。“人類基因組計劃原本打算15年完成，但在技術推動下，10年就完成了。腦圖譜研究也可能因為同樣的原因而提前達標。”

　　至于人腦這個終極目標，蒲慕明預計20年內將可繪制出人腦單神經元細胞投射聯(lián)接圖譜。他透露，目前團隊正與國內外多個同步輻射光源開展合作，使用強X射線，讓人腦神經聯(lián)接“顯形”。