图片均为介观脑图谱系列成果示意图。
中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心供图
网友：我看到一则新闻，有10项介观脑图谱研究成果在《细胞》《神经元》等期刊发布。“介观脑图谱”，听起来与我们的大脑有关，又充满科技感！我想知道，介观脑图谱是什么？又有什么用？
编辑：您关注到的，是由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心发起的“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的研究成果。据介绍，国内外300多位科学家利用我国自主研发的高精度光学脑成像等技术，历时5年绘制出多张介观脑图谱，覆盖了爬行类、鸟类、啮齿类、非人灵长类和人类等关键物种，相当于为大脑绘制了前所未有的“星系分布图”。
本期我们邀请中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心高级研究员孙衍刚，沿着“大脑地图”，带我们“走入”大脑深处，探索一个值得期待的未来。
绘制脑图谱，为大脑研究提供支撑
很多读者好奇，什么是介观脑图谱？介观脑图谱介于宏观和微观之间，以单个神经元细胞的分辨率尺度，绘制神经元细胞、神经元网络、脑区和脑功能区等大脑的组成部分。
人脑有近千亿个神经元，每个神经元又与上千个神经元相连，就像拥有无数星系的宇宙。探秘“大脑宇宙”，想要精确定位神经元、解析它们之间如何连接与传递信息，就需要一张高精度的脑图谱来“导航”。
以研究帕金森病为例，病因是大脑里的多巴胺神经元细胞凋亡，目前相对前沿的治疗对策是补充多巴胺神经元细胞。但是这些细胞的凋亡，除了自身问题，还可能和其生长的“土壤”有关。如果只补充细胞，“土壤”问题没有得到解决，新的细胞还是长不好。因此，我们不仅要研究细胞本身，还要研究它所处的周边环境。
在介观脑图谱的“导航”下，科研人员可以更好地解析神经元细胞及其周边环境，破解感知、运动、学习、记忆和决策等重要脑功能的运作密码。
自19世纪末西班牙科学家拉蒙·卡哈尔创立神经元学，绘制完整的人脑图谱就成为生命科学的重要目标。100多年来，科学家从有302个神经元细胞的线虫开始，陆续绘制果蝇、斑马鱼、小鼠等小型物种的脑图谱，如同攀登脑科学界的珠穆朗玛峰，由易到难、由简单到复杂，为大脑研究提供了重要支撑。
各物种的大脑千差万别，复杂程度各不相同。“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的介观脑图谱研究成果覆盖了爬行类、鸟类、啮齿类、非人灵长类和人类等关键物种，为大脑绘制了前所未有的“星系分布图”。
对抗“记忆窃贼”，大脑GPS展身手
此次发布的系列成果中，最大的突破在于技术体系的创新。实践证明，我国自主研发的光学成像技术在灵长类动物介观脑图谱的绘制工作上高效、可靠。发布的成果中，华大生命科学研究院自主研发的单细胞分辨率的空间转录测序技术，能同时获取细胞的空间位置和基因表达信息，相当于给每个神经元都装上了GPS、配发了“身份证”。
以被称为“记忆窃贼”的阿尔茨海默病为例，过去，科研人员只知道阿尔茨海默病与细胞外β—淀粉样蛋白沉积形成老年斑有关，但无法识别这种蛋白在微环境中所有不同类型细胞。此次研究中，科研人员通过单细胞分辨率的空间转录测序技术，对海马体脑区进行了精细划分，发现病理性小胶质细胞和星形胶质细胞在海马伞区域高度富集，就像某个街区突然聚集了大量异常活动的人一样。科研人员首次绘制了正常人和阿尔茨海默病患者海马体脑区的单细胞分辨率空间转录图谱，不仅识别了特定区域受损的神经元细胞，还筛选出细胞特异性和脑区特异性的靶标，为阿尔茨海默病早期诊断及鉴别诊断提供了新标志物，这有可能改变我们对抗这种“记忆窃贼”的方式。
脑出血是一种死亡率、致残率较高的脑血管急症，其病理损伤机制复杂，脑组织微环境时空动态演变过程尚未明确。此次研究同样利用单细胞分辨率的空间转录测序技术，首次描绘出小鼠脑出血后从超急性期到恢复期的空间转录组图谱，系统解析脑组织损伤与修复过程，以及胶质细胞等多种细胞在其中的关键作用，阐明了脑出血并非单纯的局部病变，更引发全脑反应。该图谱的绘制为深入理解脑出血的动态病理过程提供了重要资源，并为靶向干预和个体化治疗策略奠定了基础。
未来的“大脑地图”还可以做什么
绘制介观脑图谱，难度很大。
首先是取样困难，医学影像无法“看清”神经元细胞，只能靠解剖切片获取时效有限的静态信息，无法获取脑部清晰的动态图以及观察脑部动态特性的变化规律；其次，受限于数据处理，介观脑图谱的分辨率通常为数百纳米，仅一个猕猴大脑的数据量就可达500TB（太字节）的超大量级。如果将分辨率进一步提高至几十纳米，那么猕猴大脑图谱数据量将达到数十PB（千万亿字节），足以超过一个普通数据中心的数据存储量。人脑的神经元数量是猕猴脑的十几倍，其数据量之庞大、所需算力之巨大，更是难以估量。
目前，我国“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的研究，已从小型动物推进到非人灵长类，正稳步向绘制人脑介观图谱的终极目标迈进。“大脑地图”的价值不只在学术研究领域。想象一下，脑疾病可以像天气预报一样提前预警，人工智能可以像人脑一样思考，瘫痪患者可以通过脑机接口重新行走——这些都可能因脑图谱的研究而成为现实。
同时，我国也在发起筹建“国际灵长类介观脑图谱研究联盟”，构建面向全球开放共享的“脑图谱数据库”，为理解人类大脑奥秘提供关键基础。
随着同步辐射X射线神经示踪技术、AI算法等新工具的应用，微观尺度的“大脑地图”或许不再遥远，可能为理解意识、开发类脑智能带来改变，为治疗脑疾病带来革命性的突破。站在神经科学的新起点，介观脑图谱正帮助我们进入“大脑导航”的时代。从基础研究到临床应用，这张高精度的“大脑地图”将持续为人类健康与科技发展提供关键指引。
