多尺度全腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜

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

但是，一群中國(guó)科學(xué)家卻能給大腦“拍彩照”，讓大腦空間呈現(xiàn)出一個(gè)繽紛的多彩世界;并能精準(zhǔn)定位，給每個(gè)神經(jīng)元上都標(biāo)記門(mén)牌號(hào);還可以把各種形狀的神經(jīng)元單拎出來(lái)，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(biāo)準(zhǔn)化、高分辨繪制腦圖譜數(shù)據(jù)……

近日，《自然》雜志的一篇《中國(guó)啟動(dòng)腦成像工廠》報(bào)道，使得一家剛剛組建、位于蘇州的腦科學(xué)研究所成為全球科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)。美國(guó)西雅圖艾倫腦研究所的科學(xué)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(xué)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?qǐng)?bào)記者來(lái)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(kāi)”。

“腦洞”至今仍是認(rèn)知“黑洞”

“作為人類，我們能夠確認(rèn)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(wú)法揭示兩耳間三磅重的物質(zhì)(指大腦)的奧秘。”美國(guó)前總統(tǒng)奧巴馬曾這樣無(wú)奈地說(shuō)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(duì)于人腦這一被描述為宇宙中最復(fù)雜的物體我們還知之甚少。”腦空間信息技術(shù)研究所所長(zhǎng)駱清銘說(shuō)。人類大腦有1000億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，彼此之間由大量的神經(jīng)纖維連接成極為復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。目前，腦科學(xué)最有待突破的就是理解人腦高級(jí)認(rèn)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(wàn)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(zhǎng)李安安介紹說(shuō)。

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

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

顯微成像為大腦拍張“彩照”

“讓機(jī)器變成彩色照相機(jī)，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(zhǎng)李鵬程用形象的比喻解釋道，這項(xiàng)名為顯微光學(xué)切片斷層成像(MOST)的技術(shù)來(lái)自駱清銘團(tuán)隊(duì)的自主創(chuàng)新。

“它能夠全自動(dòng)地獲取熒光標(biāo)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(shuō)，“正因?yàn)橛辛薓OST技術(shù)，我們才在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)多尺度全腦神經(jīng)環(huán)路的精準(zhǔn)自動(dòng)成像，能夠?qū)ν徊溉閯?dòng)物腦以體素1微米分辨率，全自動(dòng)地采集包括軸突、樹(shù)突、胞體、環(huán)路和全腦等多尺度信息，并同步獲取細(xì)胞構(gòu)筑解剖坐標(biāo)信息，這是目前國(guó)際上唯一能實(shí)現(xiàn)連續(xù)、精細(xì)、準(zhǔn)確地獲取哺乳動(dòng)物全腦內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖譜的技術(shù)。”

李鵬程指著機(jī)器上的彩色圖譜告訴我們，“過(guò)去看到這個(gè)神經(jīng)元，想知道它在大腦的什么地方，切開(kāi)后很難判斷?，F(xiàn)在我們讓每個(gè)神經(jīng)元都帶著定位、帶著門(mén)牌號(hào)，可以把特定類型的神經(jīng)元單獨(dú)識(shí)別出來(lái)”。

該技術(shù)解決了腦科學(xué)研究缺乏高分辨率可視化工具的重大難題，對(duì)于腦工作機(jī)理和腦發(fā)育的探究、對(duì)疾病和藥物研發(fā)將發(fā)揮重要作用，對(duì)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(gè)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(xì)的成像技術(shù)來(lái)探測(cè)大腦”，李安安解釋說(shuō)。

李安安介紹說(shuō)：“過(guò)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(xiàng)技術(shù)可以看到每個(gè)神經(jīng)元的纖維分成幾個(gè)分叉、最終又投射到哪里去了，這些在過(guò)去是根本看不到的。這項(xiàng)技術(shù)叫做多尺度全腦神經(jīng)環(huán)路自動(dòng)成像新技術(shù)，可以使分辨率精細(xì)到微米以下的級(jí)別，而傳統(tǒng)的國(guó)外技術(shù)只精細(xì)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(xué)研究

最近幾年，大國(guó)競(jìng)相掀起的“腦科學(xué)熱”，或成為另一個(gè)“人類基因組計(jì)劃”。專家認(rèn)為，這不僅關(guān)乎人類的健康和福祉，也關(guān)乎未來(lái)的生產(chǎn)力，有望深刻改變社會(huì)。

2013年初，歐盟率先宣布，“人腦工程”為歐盟未來(lái)10年的“新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，獲得10億歐元科研經(jīng)費(fèi)。當(dāng)年4月，美國(guó)政府公布“腦計(jì)劃”，在未來(lái)12年間預(yù)計(jì)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(jì)劃”。

中國(guó)在積極醞釀后迅速入場(chǎng)。我國(guó)的腦科學(xué)研究被列為“事關(guān)我國(guó)未來(lái)發(fā)展的重大科技項(xiàng)目”之一，“中國(guó)腦計(jì)劃”將從認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦和模擬腦三個(gè)方向全面啟動(dòng)。

2016年8月，駱清銘成為江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院項(xiàng)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(wàn)運(yùn)行經(jīng)費(fèi)就撥付到位;今年6月，第一個(gè)光學(xué)成像平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室裝修竣工……

作為腦科學(xué)研究的基礎(chǔ)，科學(xué)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(shí)驗(yàn)室完成這樣的繪制過(guò)程，通常需要數(shù)月甚至數(shù)年時(shí)間的努力。

“我們擁有50套自動(dòng)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(shuō)，“通過(guò)高分辨的顯微成像，研究人員可以觀察大腦內(nèi)千億級(jí)的神經(jīng)細(xì)胞是如何相互聯(lián)系的。”

這項(xiàng)目前國(guó)際上唯一能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、精細(xì)、高速地獲取哺乳動(dòng)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(jī)制，進(jìn)而進(jìn)一步理解腦認(rèn)知功能，這在國(guó)際腦科學(xué)發(fā)展進(jìn)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(kāi)展研發(fā)。建立了介觀水平繪制全腦基因表達(dá)、細(xì)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(tái)，介觀腦譜圖海量數(shù)據(jù)的圖像處理和可視化研究平臺(tái)，并正在開(kāi)展腦研究和類腦基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。

專家認(rèn)為，發(fā)展腦科學(xué)的現(xiàn)實(shí)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(jìn)人工智能研究，則更令人遐想無(wú)限。
“阿爾法圍棋”戰(zhàn)勝李世石引來(lái)世人矚目，可是它僅僅是一個(gè)單一任務(wù)的運(yùn)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(huì)怎樣?可以預(yù)期的是，腦科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)，將使人工智能發(fā)展獲得新的“助推器”。