中國科學院院士、海南大學校長駱清銘
以工業化的方式大規模、標準化地產生資料並繪製腦圖譜，將改變神經科學已有的研究方式
“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃目前已凝練了攻關研究方向，提出了合理研究目標，正處在起跑前的準備階段。這一重大研究計劃的實施，將有望使我國在該領域取得世界領先地位
非人靈長類動物全腦的介觀圖譜測繪新技術，將極大推進對大腦結構和功能的理解，從“看”得見，到“看”得清、“看”得懂
文 |《瞭望》新聞週刊記者 扈永順
腦科學被公認為是自然科學的最後疆域，吸引了全世界眾多科學家為之奮鬥。在過去一個世紀，腦科學研究取得很大進展，但對大腦這一最複雜的器官如何執行，人們仍然知之甚少。特別是大腦如何感知外界、如何做出決策、如何左右情緒等複雜的腦功能，人類依然是盲人摸象，未知遠大於已知。
研究黑洞般的大腦，首先需要“看見”大腦。
中國科學院院士、海南大學校長駱清銘率領團隊歷時十餘年，發明顯微光學切片斷層成像技術（MOST），首次獲得了亞微米解析度的小鼠全腦高分辨圖譜，首次展示了鼠腦軸突的長距離追蹤，為實現單神經元分辨水平的全腦三維視覺化（全腦介觀神經聯接圖譜）研究提供了重要研究手段。
駱清銘還與中科院腦科學與智慧技術卓越創新中心學術主任蒲慕明院士共同發起“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃。該計劃將使用最接近人類的非人靈長類等動物模型，在單細胞解析度上繪製具有神經元型別特異性的全腦聯接圖譜。
駱清銘告訴《瞭望》新聞週刊記者：“繪製腦聯接圖譜，是認知腦功能並進而探討意識本質的科學前沿工作，對腦疾病防治、智慧技術發展也具有引導作用。”
大腦：“看見”“看清”，更要“看懂”
《瞭望》：現在老年痴呆、帕金森病、抑鬱和自閉症等腦疾病還不能及時有效治療，主要的技術難題是什麼？
駱清銘：實現對腦疾病防治的重要前提是認識腦、理解腦。腦的結構極其複雜，從腦區、細胞到突觸，分子跨越多個層次，空間尺度覆蓋5～6個數量級。因此，認識腦結構與功能需要恰當的觀測手段，但現有技術存在很大侷限性，所能獲得的資訊都是片面的、區域性的。
可以說，認識腦結構與功能面臨的技術挑戰是全方位的。
從“看得見”層面，需要發展標記示蹤技術，把感興趣的結構與周圍腦組織區分開，使它們能被看見。
從“看得清、看得全”層面，需要發展成像技術，不僅要能分辨腦的不同組成單元，微小如細胞、單個軸突、單個突觸也能被清晰分辨，同時又要能將成像範圍覆蓋完整全腦，做到處處可辨。
從“看得懂”層面，則需要發展海量資料儲存、處理與視覺化技術，從中高效提取腦科學研究所需的有用資訊，進而轉化為新知識，幫助人們改變對腦和疾病的認識。
可以說，每個層面面臨的挑戰都是巨大的。
《瞭望》：為了“看見”大腦，科學家研究了哪些技術？
駱清銘：各國科學家發展了各種各樣的技術。按分辨水平，腦圖譜可分為宏觀、微觀和介觀不同層次。
磁共振成像（MRI）是典型的宏觀腦圖譜繪製技術，它能幫助我們看到腦區層次的響應和彼此之間的聯接關係。MRI能快速觀測全腦，但不能在神經元/細胞分辨水平真實反映腦結構與功能活動，也就是說它“看”不清。
電子顯微鏡則是繪製微觀腦圖譜的重要手段，可以用奈米解析度對區域性突觸聯接進行解析，但電鏡的成像範圍極其有限，難以“看”全。有人測算過，即使只對1立方毫米的腦組織進行電子顯微鏡成像，也需要1萬人1年的工作量。
我的團隊在過去20多年發展的MOST系列技術則是介觀腦圖譜繪製技術的代表，能夠對腦功能的基本單元神經元細胞的完整形態及其組成的全腦網路聯接進行清晰成像。以MOST為核心的全腦定位系統（BPS）既能在亞細胞分辨水平、又能在全腦範圍實現腦精細結構的觀測。
BPS與電子顯微鏡和功能磁共振等技術的互相補充、融合，將構建出更完備的腦空間資訊科技體系框架。
《瞭望》：你提出的腦空間資訊學的基本內涵是什麼？
駱清銘：腦空間資訊學是以腦聯接的基本結構與功能單元為研究物件，揭示腦聯接空間資訊機制，引導腦疾病防治與智慧技術發展的新興交叉學科。
腦空間資訊學以腦科學和資訊科學的基本理論為指導，運用新興的全腦高分辨精準空間定位與成像方法。如BPS，同時結合多種前沿腦科學研究技術，標記、獲取、分析和視覺化具有明確空間尺度和位置的精細腦網路結構與功能資訊，以細胞/軸突/毛細血管分辨水平的高解析度，在全腦範圍測量與繪製腦結構和功能資訊的三維空間分佈及其動態變化。如神經元投射、神經/血管分佈、基因組/蛋白組/代謝組/轉錄組分佈等，從而獲取三維精細的腦聯接圖譜、建立標準化的資料體系。
由此更進一步，運用資料科學和計算神經科學，從大資料中提取跨層次、多尺度的腦聯接時空特徵。如神經元和血管走向、同類型神經元的覆蓋範圍、神經元之間的時空聯接特徵及投射方向等，建立模型，揭示感知、記憶、意識和情感等腦聯接空間資訊機制，從而促進腦健康與智慧技術的跨越式發展。
華中科技大學蘇州腦空間資訊研究院科研人員正在為鼠腦成像
將改變神經科學已有的研究方式
《瞭望》：國際學術界對MOST有何評價?
駱清銘：生物組織中廣泛存在的散射和吸收，會導致在組織內部成像時，隨深度加深影象質量有所下降，直至無法成像。因此，我們提出將光學成像與組織切削相結合的策略，來打破光學成像的深度限制，同時保持始終在樣本表面成像以保證所獲影象質量達到最佳水平。
我們將全腦樣本進行塑性包埋以實現硬化處理後，將其置於我們自主研發的MOST系列成像儀器上，對樣本表面進行邊成像邊切削的資料採集，直至完成整個樣本的成像。整個過程在奈米精度控制的三維平移臺上自動執行，確保連續獲取的影象之間具有天然配準性，便於後期進行三維圖譜的繪製和處理。
2010年，我們在《科學》雜誌首次發表“顯微光學切片斷層成像（MOST）獲取小鼠全腦高解析度圖譜”的成果，在世界上率先實現哺乳動物單神經元分辨的全腦三維成像，這是我們團隊經過近10年的技術攻關完成的。《科學》評價該工作“來自中國的團隊竭盡全力地創造出最精細的小鼠全腦神經元三維聯接圖譜”“沒有一家能達到與中國工作類似的精細程度”“所提供的資料和新的自動化腦圖譜獲取儀器將會為未來的研究提供重要基礎”。該技術入選“2011年度中國科學十大進展”，並獲得2014年度國家技術發明二等獎。
《瞭望》：有了MOST的良好基礎，你們又做了哪些工作?
駱清銘：在MOST基礎上，為滿足不同型別的神經科學研究需要，我們團隊發展了具有不同成像特點與系統性能的系列成像技術。例如熒光顯微光學切片斷層成像技術（fMOST）、雙色熒光顯微光學切片斷層成像技術（dfMOST）、高畫質晰熒光顯微光學切片斷層成像技術（HD-fMOST）等不同型別。
2013年，我們利用fMOST首次在單神經元水平實現了小鼠全腦熒光成像。這意味著，我們可以利用fMOST追蹤每根神經元聯接的來龍去脈，幫助深入瞭解大腦結構。當年的《自然·方法》評價其為“首次展示了鼠腦內一根根軸突的長距離追蹤”。
2016年，我們在《自然·通訊》發表了dfMOST技術，利用細胞構築染料在組織中滲透緩慢的特點，提出實時復染的新概念，在不增加額外時間消耗的情況下實現全腦高通量雙色精準成像，可以同時在單細胞水平解析全腦神經聯接形態和空間定位，為研究者提供了一種精準分析介觀尺度甚至微觀尺度神經解剖結構的工具。《自然·方法》評價該工作“使用該技術獲得的腦圖譜毋庸置疑地將是對理解腦聯接和腦功能具有重要價值的資源”。
此後，為解決在複雜背景中對特定目標細胞進行精確成像，我們團隊提出了線照明調製顯微成像新技術，重建出清晰的光學層析影象。理論和實驗均證明，該方法實現方式簡單，成像質量極佳，解決了傳統光學顯微成像過程中無法同時兼顧高分辨、高通量和高畫質晰度的問題。將該技術與薄層組織切片技術相結合，我們研製了HD-fMOST系統，其高信噪比和高畫質晰度的原始資料，讓自動和人工追蹤神經元形態更簡便、更穩定、更準確和更高效，大大提高了工作效率。這項工作於今年3月發表於《自然·方法》。
這些光學切片斷層成像技術統稱為BPS，該系統已迅速為國內外十餘家神經科學研究單位應用，在腦科學研究中發揮著重要作用。2017年，美國國立衛生研究院面向全球徵集有獨特優勢的腦研究新技術，美國艾倫腦科學研究所、冷泉港實驗室同時申請用fMOST技術開展全腦細胞型別普查研究，研究成果將於近期在《自然》發表。
《瞭望》：你們團隊還進行了哪些開創性工作？
駱清銘：圍繞高分辨腦聯接圖譜研究，我的團隊還在神經環路標記、海量大資料處理及視覺化領域進行了探索。2014年，我們在《自然·通訊》發表文章，揭示了樹脂包埋樣本中熒光蛋白分子的質子化機理，提出重啟用熒光蛋白分子的新方法。2016年，建立從大範圍密集神經群落資料中自動重建出單神經元結構的方法，發表在《自然·方法》。2019年，我們在《自然·神經科學》發表文章，繪製了最詳盡的小鼠內側前額葉皮層的全腦輸入圖譜，並提出基於環路結構和共投射模式的神經元分類方法，為神經環路的組織架構研究開拓了新的思路。
在腦血管圖譜研究方面，我們建立了小鼠全腦的尼氏染色和樹脂包埋方法，利用MOST技術以1微米解析度，同時獲得小鼠全腦細胞和血管的影象，發展了相應的自動識別和分割演算法。進一步，我們建立了獲取、處理和分析腦血管資料的技術體系，構建了哺乳動物全腦精細血管立體定點陣圖譜。該研究首次在全腦範圍內系統性構建和標識出包含動脈、靜脈、微動脈和微靜脈的精細腦血管圖譜，不僅對完整血管樹進行三維重建，而且利用同步獲取的細胞構築影象提供的解剖資訊，在單細胞水平實現了血管分支的立體定位。得益於MOST成像技術的高解析度，我們發現了許多之前未曾報道的靜脈分支，也定量分析了動脈、靜脈血管與腦區的連通性及供血關係。該圖譜為腦功能和腦疾病的研究提供了重要的基礎性資源資料。
2016年，我們團隊得到江蘇省、蘇州市和蘇州工業園區的支援，獲得4.5億元投資，成立華中科技大學蘇州腦空間資訊研究院，以工業化的方式來繪製腦圖譜。透過用樹脂包裹住鼠腦，形成如同膠囊大小的“琥珀”，成像儀器的金剛石刀片將浸泡在溶液中的鼠腦標本切割成1微米厚的薄片，邊切邊拍照，一隻鼠腦大約切1萬層，最後合成三維腦圖譜，我們由此獲得了目前世界上最清晰的哺乳動物腦圖譜。《自然》對此進行專題報道，並引述國際專家評價“這種以工業化的形式大規模、標準化地產生資料，將改變神經科學已有的研究方式”。
我們的研究將極大推進對大腦結構和功能的理解
《瞭望》：“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計劃目前進展情況如何？
駱清銘：經過多年的充分研討，目前該計劃已凝練了攻關研究方向，提出了合理研究目標，正處在起跑前的準備階段。相信這一重大研究計劃的實施，將有望使我國在該領域取得世界領先地位。
《瞭望》：你的研究方向將在這一大科學計劃中發揮什麼作用？
駱清銘：過去十多年的應用證明，我們發展的BPS技術，是目前在介觀水平繪製腦圖譜最穩定、最可靠、解析度最高、資料質量最好的成像技術。我們擁有全鏈條“樣本處理、三維高解析度全自動成像、大資料處理與分析”的自主智慧財產權，BPS是迄今國際上唯一可以在哺乳動物全腦獲取軸突分辨的神經元完整形態，並以單細胞精度提供空間定位資訊的技術，即介觀水平定義全腦三維空間的定位座標。
近日，由中國科學院主辦的《科學通報》線上發表了我們針對非人靈長類動物全腦的介觀圖譜測繪新技術。由於獼猴腦是小鼠腦體積的200倍左右，我們解決了大樣本處理、自動化成像及PB量級資料分析的技術難題，真正實現了獼猴全腦內軸突投射和解剖定位的三維連續解析。該技術在單神經元完整形態的獲取及其全腦聯接關係的解析上，具有不可替代的技術優勢。我們的研究將極大推進對大腦結構和功能的理解，從“看”得見，到“看”得清、“看”得懂。
《瞭望》：發展腦科學研究，你還希望獲得哪些支援？
駱清銘：工欲善其事，必先利其器。生命科學的每一次發展，都以重大技術的進步為前提。腦科學研究也不例外。在國家自然科學基金和科技部有關專案的支援下，我和團隊長期致力於發展BPS技術，有幸保持了十餘年的領先位置。我們希望能繼續得到支援，包括科研專案、人才專案和成果轉化政策等，以便聚集優勢隊伍，形成合力，在腦科學研究中發揮更大作用，繼續保持國際領先優勢。■
