多尺度全腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜

人腦擁有多達上千億的神經(jīng)元，這些不斷發(fā)出電信號的神經(jīng)元組成密密麻麻的網(wǎng)絡(luò)，至今我們對它知之甚少，因而人腦也被稱為宇宙中最復雜的物體。

但是，一群中國科學家卻能給大腦“拍彩照”，讓大腦空間呈現(xiàn)出一個繽紛的多彩世界;并能精準定位，給每個神經(jīng)元上都標記門牌號;還可以把各種形狀的神經(jīng)元單拎出來，清楚地看到每根神經(jīng)元的走向;最牛的是，他們率先以工業(yè)化方式大規(guī)模、標準化、高分辨繪制腦圖譜數(shù)據(jù)……

近日，《自然》雜志的一篇《中國啟動腦成像工廠》報道，使得一家剛剛組建、位于蘇州的腦科學研究所成為全球科學界關(guān)注的焦點。美國西雅圖艾倫腦研究所的科學家曾紅葵(音)表示，“這種工廠化的研究規(guī)模將極大地加速腦科學的發(fā)展”。

大腦內(nèi)部的神經(jīng)元究竟是什么樣子的?我們?nèi)绾尾拍芸吹竭@神秘的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?科技日報記者來到江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院腦空間信息技術(shù)研究所，讓專家為讀者詳解如何讓人“腦洞大開”。

“腦洞”至今仍是認知“黑洞”

“作為人類，我們能夠確認數(shù)光年外的星系，我們能研究比原子還小的粒子，但我們?nèi)詿o法揭示兩耳間三磅重的物質(zhì)(指大腦)的奧秘。”美國前總統(tǒng)奧巴馬曾這樣無奈地說道。

因此，大腦也被戲稱為“三磅的宇宙”，就如同宇宙中神秘的黑洞，難以琢磨又令人神往。

“對于人腦這一被描述為宇宙中最復雜的物體我們還知之甚少。”腦空間信息技術(shù)研究所所長駱清銘說。人類大腦有1000億個神經(jīng)細胞，彼此之間由大量的神經(jīng)纖維連接成極為復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前，腦科學最有待突破的就是理解人腦高級認知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

“現(xiàn)在的磁共振成像技術(shù)，看到的是腦區(qū)之間很粗的纖維束，而中間的成千上萬的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是看不到的，就好比一根電纜，看不到中間一根根的銅絲，而我們現(xiàn)在做到的是每一根銅絲都要看到。”腦空間信息技術(shù)研究所副所長李安安介紹說。

神經(jīng)科學家認為，這些神經(jīng)元有成千上萬種不同的細胞類型，在細胞形狀、大小和基因表達方面有很大的差異?？茖W家希望繪制出神經(jīng)元結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾位ハ嘧饔茫@將有助于揭示它們的功能。

為此，華中科技大學副校長駱清銘教授團隊組建了腦空間信息技術(shù)研究所，并努力開發(fā)高分辨、大探測范圍和高通量的三維光學顯微成像技術(shù)，他希望能夠在哺乳動物全腦范圍，以真實尺度構(gòu)建出包括神經(jīng)元和血管等腦內(nèi)的多種復雜結(jié)構(gòu)的完整精細形態(tài)和連接關(guān)系。

顯微成像為大腦拍張“彩照”

“讓機器變成彩色照相機，讓大腦圖像從黑白變成彩色”，腦空間信息技術(shù)研究所副所長李鵬程用形象的比喻解釋道，這項名為顯微光學切片斷層成像(MOST)的技術(shù)來自駱清銘團隊的自主創(chuàng)新。

“它能夠全自動地獲取熒光標記、高爾基和尼氏染色的嚙齒類全腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和血管數(shù)據(jù)集”，李鵬程說，“正因為有了MOST技術(shù)，我們才在國際上首次實現(xiàn)多尺度全腦神經(jīng)環(huán)路的精準自動成像，能夠?qū)ν徊溉閯游锬X以體素1微米分辨率，全自動地采集包括軸突、樹突、胞體、環(huán)路和全腦等多尺度信息，并同步獲取細胞構(gòu)筑解剖坐標信息，這是目前國際上唯一能實現(xiàn)連續(xù)、精細、準確地獲取哺乳動物全腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜的技術(shù)。”

李鵬程指著機器上的彩色圖譜告訴我們，“過去看到這個神經(jīng)元，想知道它在大腦的什么地方，切開后很難判斷。現(xiàn)在我們讓每個神經(jīng)元都帶著定位、帶著門牌號，可以把特定類型的神經(jīng)元單獨識別出來”。

該技術(shù)解決了腦科學研究缺乏高分辨率可視化工具的重大難題，對于腦工作機理和腦發(fā)育的探究、對疾病和藥物研發(fā)將發(fā)揮重要作用，對類腦智能將提供重要的數(shù)據(jù)。

“我們發(fā)現(xiàn)每一根神經(jīng)元的去向都不一樣，即使是兩個相同形態(tài)的神經(jīng)元，彼此之間間隔也只有幾微米，但是連接的腦區(qū)可能是完全不一樣的，這就是為什么我們要用這么精細的成像技術(shù)來探測大腦”，李安安解釋說。

李安安介紹說：“過去我們只能看到神經(jīng)元大概跟哪些腦區(qū)連接，我們現(xiàn)在的這項技術(shù)可以看到每個神經(jīng)元的纖維分成幾個分叉、最終又投射到哪里去了，這些在過去是根本看不到的。這項技術(shù)叫做多尺度全腦神經(jīng)環(huán)路自動成像新技術(shù)，可以使分辨率精細到微米以下的級別，而傳統(tǒng)的國外技術(shù)只精細到幾微米以上，所以我們能看到更加完整的神經(jīng)元圖像信息。”

腦成像工廠引領(lǐng)腦科學研究

最近幾年，大國競相掀起的“腦科學熱”，或成為另一個“人類基因組計劃”。專家認為，這不僅關(guān)乎人類的健康和福祉，也關(guān)乎未來的生產(chǎn)力，有望深刻改變社會。

2013年初，歐盟率先宣布，“人腦工程”為歐盟未來10年的“新興旗艦技術(shù)項目”，獲得10億歐元科研經(jīng)費。當年4月，美國政府公布“腦計劃”，在未來12年間預計總共將投入45億美元。日本也緊隨歐美，在2014年正式發(fā)起“大腦研究計劃”。

中國在積極醞釀后迅速入場。我國的腦科學研究被列為“事關(guān)我國未來發(fā)展的重大科技項目”之一，“中國腦計劃”將從認識腦、保護腦和模擬腦三個方向全面啟動。

2016年8月，駱清銘成為江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院項目經(jīng)理;10月，腦空間信息技術(shù)研究所落戶蘇州并與省市簽訂共建協(xié)議;12月，江蘇省產(chǎn)研院第一筆的1000萬運行經(jīng)費就撥付到位;今年6月，第一個光學成像平臺實驗室裝修竣工……

作為腦科學研究的基礎(chǔ)，科學家希望繪制出腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾位ハ嘧饔谩，F(xiàn)有的實驗室完成這樣的繪制過程，通常需要數(shù)月甚至數(shù)年時間的努力。

“我們擁有50套自動化的成像系統(tǒng)，可以快速切片老鼠大腦，抓取每一片切片的高精度照片，并將這些照片重新組合為3D圖像，能夠在兩周內(nèi)完成小鼠全腦高分辨率成像。”李安安介紹說，“通過高分辨的顯微成像，研究人員可以觀察大腦內(nèi)千億級的神經(jīng)細胞是如何相互聯(lián)系的。”

這項目前國際上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、精細、高速地獲取哺乳動物全腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜的技術(shù)，可以幫助理解大腦內(nèi)神經(jīng)信息處理機制，進而進一步理解腦認知功能，這在國際腦科學發(fā)展進程中具有里程碑的意義。

除了繪制腦圖譜，該所還將在全腦可視化網(wǎng)絡(luò)、面向腦疾病的集成神經(jīng)技術(shù)、類腦智能技術(shù)3大方向開展研發(fā)。建立了介觀水平繪制全腦基因表達、細胞類型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)圖譜的技術(shù)平臺，介觀腦譜圖海量數(shù)據(jù)的圖像處理和可視化研究平臺，并正在開展腦研究和類腦基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)庫建設(shè)。

專家認為，發(fā)展腦科學的現(xiàn)實意義是治療各類人腦疾病，比如帕金森病、阿爾茨海默氏癥、抑郁癥、精神分裂癥等;如果能推進人工智能研究，則更令人遐想無限。
“阿爾法圍棋”戰(zhàn)勝李世石引來世人矚目，可是它僅僅是一個單一任務的運算程序，與人腦的能力還有極大差距，如果真正模擬人腦又會怎樣?可以預期的是，腦科學的新發(fā)現(xiàn)，將使人工智能發(fā)展獲得新的“助推器”。