中国科大实现猕猴大脑三维结构解析迈入“微米级”

  中安在线 中安新闻客户端讯 记者7月26日从中国科大获悉，中国科学技术大学、中科院深圳先进技术研究院毕国强教授、刘北明教授与国内外学者合作，通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制流程，实现对猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。相关成果7月26日发表于《自然·生物技术》。

  脑图谱解析是神经科学研究的前沿领域。大脑功能由其近千亿个神经细胞以及细胞之间纤细而复杂的连接来实现。深入理解大脑的运转机制，需要给大脑绘制一幅三维高清地图。目前，国际通用成像技术对小鼠进行微米分辨率全脑成像通常需要数天，猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上，在较短时间内完成全脑成像是一项极大挑战。

  为应对这一挑战，该团队经过数年攻关，研发了VISoR高速三维荧光成像技术。该技术作为当前世界最快的大尺度三维组织成像方法，可对各种模型动物大脑进行高通量、高精度的定量解析，并可扩展至其它组织器官，在大规模药物筛选、快速病理诊断以及更大型生物样品成像等领域有着广阔应用前景。这项技术产生的超大规模数据与人工智能技术结合，将有望帮助理解人类大脑和身体器官的精细结构及其在疾病中的变化规律，加速医疗诊断和药物研发。

  除了成像通量的挑战，对猕猴脑进行高分辨全脑成像还面临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的困难。该团队采取先对离体大脑进行包埋切片的方式，使得溶液渗透效率仅依赖于切片厚度，而不受其大小的影响，并且发展了高折射率的组织透明化方法，让脑片的灰质与白质不同部分、不同深度达到均匀透明。然后，通过改进的高速三维荧光成像系统，在100小时内完成对猕猴全脑样品1×1×2.5微米三维分辨率的图像采集，两只猕猴大脑图像原始数据量超过1 PB。该团队还开发了自动三维图像拼接技术和渐进式半自动追踪技术，实现了猕猴大脑的三维图像重建和神经元轴突纤维的长距离追踪。

  美国科学院院士、华盛顿大学教授大卫·冯·埃森认为，猕猴为理解人类大脑健康和疾病提供了最佳模型系统，在其整脑水平绘制神经元长距离连接是一个惊人的技术进步，对理解大脑形态发生和连接方式具有深远的意义。（通讯员 桂运安 记者 汪乔）