北京時(shí)間7月10日23時(shí)，《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《發(fā)育細(xì)胞》期刊在線發(fā)布了由上海科研機(jī)構(gòu)牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)8家機(jī)構(gòu)以及法國(guó)、瑞典、英國(guó)等國(guó)科學(xué)家取得的多項(xiàng)腦科學(xué)研究成果。作為國(guó)際頂級(jí)科學(xué)期刊，《細(xì)胞》以封面形式刊登“中國(guó)腦計(jì)劃”系列成果，足見(jiàn)其含金量之高。

　　中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心”)學(xué)術(shù)主任蒲慕明介紹，“中國(guó)腦計(jì)劃”團(tuán)隊(duì)利用高精度光學(xué)腦成像、空間轉(zhuǎn)錄組和人工智能等前沿技術(shù)，深入解析了大腦細(xì)胞類型多樣性、聯(lián)接規(guī)律、發(fā)育進(jìn)化規(guī)律和腦疾病分子機(jī)制，在單細(xì)胞分辨率下，實(shí)現(xiàn)了介觀腦圖譜繪制從嚙齒類動(dòng)物到靈長(zhǎng)類動(dòng)物的跨越。

　　這些基礎(chǔ)研究突破，為科學(xué)家破解腦功能機(jī)制、攻克腦疾病、研發(fā)類腦智能提供了重要支撐。

 

　　最新一期《細(xì)胞》雜志封面

　　美歐日中先后啟動(dòng)腦計(jì)劃

　　大腦和宇宙一樣，還存在大量未解之謎。哺乳動(dòng)物大腦的復(fù)雜性超乎想象，其中最復(fù)雜的人腦，包含近1000億個(gè)神經(jīng)元和上萬(wàn)億神經(jīng)連接，為全面解析大腦的結(jié)構(gòu)和功能帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

　　繪制精細(xì)人腦圖譜，一直是科學(xué)界的終極目標(biāo)之一。隨著單細(xì)胞多組學(xué)測(cè)序、高通量全腦成像、生物信息學(xué)工具和人工智能等技術(shù)突破，繪制精細(xì)的靈長(zhǎng)類動(dòng)物腦圖譜，已成為科學(xué)界的近期目標(biāo)。

　　據(jù)了解，腦圖譜研究是美國(guó)、歐盟、日本和中國(guó)腦計(jì)劃的重要組成部分，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈。美國(guó)在2013年啟動(dòng)的腦計(jì)劃布局了腦圖譜研究相關(guān)技術(shù)，已研發(fā)出成熟的單細(xì)胞和空間多組學(xué)技術(shù)，發(fā)布了多批腦圖譜成果。日本腦計(jì)劃于2014年啟動(dòng)，主要聚焦狨猴研究，其中狨猴腦圖譜開(kāi)發(fā)是核心任務(wù)之一。歐盟于2013年啟動(dòng)的腦計(jì)劃聚焦腦模擬研究，10年投入約6億歐元，但未能實(shí)現(xiàn)其預(yù)設(shè)的大規(guī)模“模擬腦”目標(biāo)。

　　與美、歐、日相比，“中國(guó)腦計(jì)劃”起步較晚，于2021年正式啟動(dòng)，以腦認(rèn)知原理為研究主體，以腦重大疾病研究和類腦智能研發(fā)為“兩翼”。我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了熒光顯微光學(xué)切片斷層成像、高通量三維熒光快速成像、時(shí)空轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)等領(lǐng)先技術(shù)，在國(guó)際上率先繪制出單細(xì)胞分辨率下的靈長(zhǎng)類介觀腦圖譜。

　　“這是中國(guó)生命科學(xué)領(lǐng)域規(guī)模最大的合作項(xiàng)目，共有來(lái)自30多家單位的幾百名科研人員參與。”蒲慕明說(shuō)，“我們針對(duì)重大前沿科學(xué)問(wèn)題聯(lián)合攻關(guān)，終于取得了一系列重要成果。”

　　解析靈長(zhǎng)類高級(jí)認(rèn)知腦區(qū)

　　在《細(xì)胞》雜志發(fā)表的論文中，“獼猴前額葉皮層神經(jīng)元全腦投射圖譜”引人注目。中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心研究員嚴(yán)軍介紹，靈長(zhǎng)類動(dòng)物的前額葉皮層是負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能的最關(guān)鍵腦區(qū)，但其神經(jīng)聯(lián)接規(guī)律仍不清楚。他們利用華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院研發(fā)的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續(xù)精準(zhǔn)三維成像技術(shù)、課題組自主研發(fā)的GAPR神經(jīng)元追蹤系統(tǒng)，獲取并重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中2231個(gè)神經(jīng)元的全腦投射圖譜。

　　經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，他們發(fā)現(xiàn)了32種投射神經(jīng)元亞型，刻畫(huà)了每種亞型的胞體分布模式、軸突靶向通路、軸突末梢分支形態(tài)。與小鼠相比，獼猴前額葉神經(jīng)元具有高度的靶向?qū)Ｒ恍浴⒏俚妮S突分支和更集中的末梢分布。

　　

 

　　中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心介觀腦圖譜研究團(tuán)隊(duì)

　　美國(guó)科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所所長(zhǎng)羅伯特·德西蒙(Robert Desimone)稱這項(xiàng)成果是中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)的“杰作”，因?yàn)樗侨蚴讉€(gè)靈長(zhǎng)類動(dòng)物的單神經(jīng)元投射圖譜。“這一靈長(zhǎng)類前額葉皮層及其連接的‘線路圖’，對(duì)我們進(jìn)一步理解健康和疾病狀態(tài)下的認(rèn)知功能非常重要。”

　　不僅如此，獼猴腦圖譜對(duì)新一代人工智能研發(fā)也具有重要價(jià)值。嚴(yán)軍解釋：“我們發(fā)現(xiàn)，靈長(zhǎng)類大腦中神經(jīng)元之間采用的是專一、精準(zhǔn)的連接方式，不同區(qū)域之間通過(guò)明確的功能模塊各司其職，形成高效而有組織的信息處理網(wǎng)絡(luò)。如果將這種設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到硅基系統(tǒng)中，或許能讓人工智能對(duì)信息的處理更像人腦在思考，在任務(wù)切換、注意力控制、邏輯推理等方面的表現(xiàn)也會(huì)更接近人腦。”

　　為破解意識(shí)產(chǎn)生之謎奠基

　　在人類大腦深處，隱藏著一個(gè)薄如紙片的神秘結(jié)構(gòu)——屏狀核。其重要性不亞于前額葉皮層，因?yàn)樗赡苁且庾R(shí)產(chǎn)生的關(guān)鍵腦區(qū)。2005年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主弗朗西斯·克里克和克里斯托夫·科赫提出假說(shuō)：屏狀核通過(guò)其廣泛的聯(lián)接網(wǎng)絡(luò)，將來(lái)自不同感覺(jué)模態(tài)和認(rèn)知功能的信息進(jìn)行整合，從而產(chǎn)生統(tǒng)一的意識(shí)體驗(yàn)。

　　為了破解大腦意識(shí)產(chǎn)生之謎，中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院、法國(guó)國(guó)家衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所、臨港實(shí)驗(yàn)室、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、騰訊AI實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)，采用“單核轉(zhuǎn)錄組測(cè)序+時(shí)空轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)”，繪制出獼猴屏狀核單細(xì)胞分辨率的時(shí)空?qǐng)D譜。這是全球首個(gè)非人靈長(zhǎng)類屏狀核時(shí)空?qǐng)D譜，揭示了獼猴屏狀核中每個(gè)腦細(xì)胞的基因信息，并為它們標(biāo)注了“住址”。相關(guān)論文已發(fā)表在《細(xì)胞》上。

　　

 

　　獼猴屏狀核單細(xì)胞分辨率的時(shí)空?qǐng)D譜

　　“這項(xiàng)研究對(duì)腦功能理解產(chǎn)生的影響是多方面的。”中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心研究員沈志明說(shuō)，它為意識(shí)研究提供了堅(jiān)實(shí)的細(xì)胞和分子基礎(chǔ)，通過(guò)詳細(xì)描繪屏狀核的細(xì)胞組成和聯(lián)接模式，讓科研人員能更精確地測(cè)試和驗(yàn)證關(guān)于意識(shí)產(chǎn)生機(jī)制的各種假說(shuō)，為理解復(fù)雜認(rèn)知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)提供了新的視角。

　　在醫(yī)療領(lǐng)域，基于屏狀核圖譜的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)方法有望為意識(shí)障礙患者的診斷和治療帶來(lái)重要改變。通過(guò)精確調(diào)控屏狀核的活動(dòng)，未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦整體狀態(tài)的有效調(diào)節(jié)，為抑郁癥患者調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)提供新的技術(shù)路徑。

　　在教育領(lǐng)域，通過(guò)深入了解屏狀核在注意力、記憶整合和抽象思維中的作用機(jī)制，未來(lái)可能開(kāi)發(fā)出更有效的認(rèn)知訓(xùn)練方法，提高人們的學(xué)習(xí)效率和思維能力。

　　《細(xì)胞》審稿人寫(xiě)道：“這項(xiàng)研究令人印象深刻且意義重大。”在探索大腦意識(shí)產(chǎn)生機(jī)制的道路上，中國(guó)科學(xué)家邁出了關(guān)鍵一步。

　　原標(biāo)題：《“中國(guó)腦計(jì)劃”系列成果登上《細(xì)胞》封面，通向大腦意識(shí)之謎和新一代人工智能》

　　欄目主編：黃海華

　　來(lái)源：作者：解放日?qǐng)?bào) 俞陶然