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脑成像工厂:带你看“脑洞”如何大开

2017-09-21 18:30 来源:科技日报

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人脑拥有多达上千亿的神经元,这些不断发出电信号的神经元组成密密麻麻的网络,至今我们对它知之甚少,因而人脑也被称为宇宙中最复杂的物体。

但是,一群中国科学家却能给大脑“拍彩照”,让大脑空间呈现出一个缤纷的多彩世界;并能精准定位,给每个神经元上都标记门牌号;还可以把各种形状的神经元单拎出来,清楚地看到每根神经元的走向;最牛的是,他们率先以工业化方式大规模、标准化、高分辨绘制脑图谱数据……

近日,《自然》杂志的一篇《中国启动脑成像工厂》报道,使得一家刚刚组建、位于苏州的脑科学研究所成为全球科学界关注的焦点。美国西雅图艾伦脑研究所的科学家曾红葵(音)表示,“这种工厂化的研究规模将极大地加速脑科学的发展”。

大脑内部的神经元究竟是什么样子的?我们如何才能看到这神秘的脑神经网络?科技日报记者来到江苏省产业技术研究院脑空间信息技术研究所,让专家为读者详解如何让人“脑洞大开”。

“脑洞”至今仍是认知“黑洞”

“作为人类,我们能够确认数光年外的星系,我们能研究比原子还小的粒子,但我们仍无法揭示两耳间三磅重的物质(指大脑)的奥秘。”美国前总统奥巴马曾这样无奈地说道。

因此,大脑也被戏称为“三磅的宇宙”,就如同宇宙中神秘的黑洞,难以琢磨又令人神往。

“对于人脑这一被描述为宇宙中最复杂的物体我们还知之甚少。”脑空间信息技术研究所所长骆清铭说。人类大脑有1000亿个神经细胞,彼此之间由大量的神经纤维连接成极为复杂的神经网络。目前,脑科学最有待突破的就是理解人脑高级认知功能的神经网络。

“现在的磁共振成像技术,看到的是脑区之间很粗的纤维束,而中间的成千上万的神经元网络是看不到的,就好比一根电缆,看不到中间一根根的铜丝,而我们现在做到的是每一根铜丝都要看到。”脑空间信息技术研究所副所长李安安介绍说。

神经科学家认为,这些神经元有成千上万种不同的细胞类型,在细胞形状、大小和基因表达方面有很大的差异。科学家希望绘制出神经元结构以及它们如何互相作用,这将有助于揭示它们的功能。

为此,华中科技大学副校长骆清铭教授团队组建了脑空间信息技术研究所,并努力开发高分辨、大探测范围和高通量的三维光学显微成像技术,他希望能够在哺乳动物全脑范围,以真实尺度构建出包括神经元和血管等脑内的多种复杂结构的完整精细形态和连接关系。

显微成像为大脑拍张“彩照”

“让机器变成彩色照相机,让大脑图像从黑白变成彩色”,脑空间信息技术研究所副所长李鹏程用形象的比喻解释道,这项名为显微光学切片断层成像(MOST)的技术来自骆清铭团队的自主创新。

“它能够全自动地获取荧光标记、高尔基和尼氏染色的啮齿类全脑神经网络和血管数据集”,李鹏程说,“正因为有了MOST技术,我们才在国际上首次实现多尺度全脑神经环路的精准自动成像,能够对同一哺乳动物脑以体素1微米分辨率,全自动地采集包括轴突、树突、胞体、环路和全脑等多尺度信息,并同步获取细胞构筑解剖坐标信息,这是目前国际上唯一能实现连续、精细、准确地获取哺乳动物全脑内神经网络图谱的技术。”

李鹏程指着机器上的彩色图谱告诉我们,“过去看到这个神经元,想知道它在大脑的什么地方,切开后很难判断。现在我们让每个神经元都带着定位、带着门牌号,可以把特定类型的神经元单独识别出来”。

该技术解决了脑科学研究缺乏高分辨率可视化工具的重大难题,对于脑工作机理和脑发育的探究、对疾病和药物研发将发挥重要作用,对类脑智能将提供重要的数据。

“我们发现每一根神经元的去向都不一样,即使是两个相同形态的神经元,彼此之间间隔也只有几微米,但是连接的脑区可能是完全不一样的,这就是为什么我们要用这么精细的成像技术来探测大脑”,李安安解释说。

李安安介绍说:“过去我们只能看到神经元大概跟哪些脑区连接,我们现在的这项技术可以看到每个神经元的纤维分成几个分叉、最终又投射到哪里去了,这些在过去是根本看不到的。这项技术叫做多尺度全脑神经环路自动成像新技术,可以使分辨率精细到微米以下的级别,而传统的国外技术只精细到几微米以上,所以我们能看到更加完整的神经元图像信息。”

脑成像工厂引领脑科学研究

最近几年,大国竞相掀起的“脑科学热”,或成为另一个“人类基因组计划”。专家认为,这不仅关乎人类的健康和福祉,也关乎未来的生产力,有望深刻改变社会。

2013年初,欧盟率先宣布,“人脑工程”为欧盟未来10年的“新兴旗舰技术项目”,获得10亿欧元科研经费。当年4月,美国政府公布“脑计划”,在未来12年间预计总共将投入45亿美元。日本也紧随欧美,在2014年正式发起“大脑研究计划”。

中国在积极酝酿后迅速入场。我国的脑科学研究被列为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一,“中国脑计划”将从认识脑、保护脑和模拟脑三个方向全面启动。

2016年8月,骆清铭成为江苏省产业技术研究院项目经理;10月,脑空间信息技术研究所落户苏州并与省市签订共建协议;12月,江苏省产研院第一笔的1000万运行经费就拨付到位;今年6月,第一个光学成像平台实验室装修竣工……

作为脑科学研究的基础,科学家希望绘制出脑神经结构以及它们如何互相作用。现有的实验室完成这样的绘制过程,通常需要数月甚至数年时间的努力。

“我们拥有50套自动化的成像系统,可以快速切片老鼠大脑,抓取每一片切片的高精度照片,并将这些照片重新组合为3D图像,能够在两周内完成小鼠全脑高分辨率成像。”李安安介绍说,“通过高分辨的显微成像,研究人员可以观察大脑内千亿级的神经细胞是如何相互联系的。”

这项目前国际上唯一能够实现连续、精细、高速地获取哺乳动物全脑内神经网络图谱的技术,可以帮助理解大脑内神经信息处理机制,进而进一步理解脑认知功能,这在国际脑科学发展进程中具有里程碑的意义。

除了绘制脑图谱,该所还将在全脑可视化网络、面向脑疾病的集成神经技术、类脑智能技术3大方向开展研发。建立了介观水平绘制全脑基因表达、细胞类型及神经网络连接结构图谱的技术平台,介观脑谱图海量数据的图像处理和可视化研究平台,并正在开展脑研究和类脑基础大数据库建设。

专家认为,发展脑科学的现实意义是治疗各类人脑疾病,比如帕金森病、阿尔茨海默氏症、抑郁症、精神分裂症等;如果能推进人工智能研究,则更令人遐想无限。

“阿尔法围棋”战胜李世石引来世人瞩目,可是它仅仅是一个单一任务的运算程序,与人脑的能力还有极大差距,如果真正模拟人脑又会怎样?可以预期的是,脑科学的新发现,将使人工智能发展获得新的“助推器”。



[ 编辑: 罗伦占 ]

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