1741個!我國建成世界最大的小鼠全腦神經後設資料集


◎科技日報記者 金鳳

腦,是我們每個人的“頂級配置”。我們之所以有喜怒哀樂,能夠學習、記憶、運動,擁有良好的睡眠,都離不開大腦的調控。神經元是大腦行使功能的基本單位,它的3D結構特徵可以揭示腦內神經訊號的流動,反映大腦的神經網路連線,也是鑑定神經元類別的重要引數。


資料圖;圖源:視覺中國

不過,想清晰地看清並重建大量神經元全腦形態,還存在諸多瓶頸。10月13日,記者從東南大學獲悉,該校聯合美國艾倫腦科學研究所、華中科技大學、溫州醫科大學、騰訊等機構,生成了目前世界上數目最大的關於小鼠的1741個單細胞神經元的資料集,並鑑定了來自皮層、屏狀核、丘腦和紋狀體等腦區的11種主要的神經元投射型別,成果近日發表於國際頂級期刊《自然》。

“雖然小鼠的大腦和人類的大腦存在差異,但是在結構和細胞型別方面大體上是相似的,因此鼠腦神經元的研究為解析人腦的神經元類別以及探索神經系統疾病如精神分裂症,自閉症,抑鬱症等的機制提供了重要的資訊。”論文的共同第一作者、東南大學腦科學與智慧技術研究院副研究員劉力娟說。


來自皮層,屏狀核,丘腦,紋狀體的11種神經元投射型別。圖源:東南大學腦科學與智慧技術研究院 供圖

諸多瓶頸制約全腦神經元網路重建

走進東南大學腦科學與智慧技術研究院(以下簡稱東大腦智院),工作人員正在電腦前標註鼠腦的神經元結構資訊。螢幕上的大腦輪廓中,儘管做了神經元的選擇性標記,神經元的結構仍然密密麻麻,像一堆線團。

人腦約有860億個神經元,神經元間的有序連線網路決定了大腦能實現哪些功能。瞭解神經元結構,使連線路徑視覺化,將有助於闡明神經元的功能。

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小鼠是研究腦科學的重要模式動物,它們有學習、記憶和社交能力,其大腦擁有上億個神經元,觀察小鼠的神經元結構,對於瞭解人腦結構和功能有重要參考價值。

不過,長期以來,重建高通量的全腦神經元網路一直存在瓶頸。

“小鼠的腦只有約成人指甲蓋大小,而且有蛋白質等結構,不透明,所以普通的光學顯微成像技術很難獲得全腦影象, 這也是全腦研究的難點。”劉力娟說,此次研究中,科研團隊構建了選擇性標記的小鼠品系樣本,中國科學院院士駱清銘教授以及華中科技大學龔輝教授團隊完成了基於熒光顯微光學切片斷層成像系統的高解析度小鼠全腦影象採集。

但高解析度也令小鼠全腦影象體量巨大,達到15-20TB,這對影象平臺的演算法和資料處理能力形成很大挑戰。

“有的神經元訊號很弱,看清楚很難,而且神經元分枝複雜,一旦追蹤錯了,就無法準確還原神經元形態,也就是就追錯了神經元傳送訊號的路徑。”劉力娟說,全腦神經元結構龐大,某些小鼠的腦皮層細胞可以跨越兩個腦半球,且分枝繁多,總長度可達40釐米左右,因此準確快速地重建神經元十分困難。

在1741個神經元的資料集中“捕捉”到11種投射型別

為破解這些難題,東大腦智院與上海大學王宜敏博士團隊開發了三維視覺化Vaa3D-TeraVR平臺。在VR模組中,研究人員可頭戴VR裝置,“沉浸式觀察”神經元結構,從而大大降低重建繁雜難辨的神經元的難度。


研究人員藉助Vaa3D-TearaVR平臺重建複雜的神經元結構。科技日報記者 金鳳 攝

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同時,東大腦智院建立了自動化與手動結合的神經元重建流程,使神經元的形態“捕捉”便變得更加高效、精準,並與安徽大學屈磊教授團隊合作研發影象配准演算法mBrainAligner。基於這些平臺和演算法,東大腦智院建立起完整的大資料管理和計算分析平臺。

“這些資料來自腦皮層、屏狀核、紋狀體和丘腦等特定腦區神經元,其中大腦皮層是神經元訊號的最終匯集點;丘腦是感覺的高階中樞,是最重要的感覺傳導接替站;紋狀體可以參與協調各種精細複雜的運動;屏狀核被一些專家認為是意識的“開關”。從這些神經元提取出的資料,構成了目前世界上公佈的最大單細胞腦神經後設資料集。”劉力娟說。

有了神經元資訊的大資料,科研團隊很快”捕捉“到來自皮層、丘腦、屏狀核和紋狀體中的11種主要的神經元投射型別。

“投射區域指的是神經元發出、運送訊號的目的地,而不同的投射區域代表著不同的投射型別。在11種型別中,我們發現,以往被認為可能是意識開關的屏狀核與側皮層屬於同一轉錄組類別Car3,但是實際上它們的投射的目的地卻截然不同。屏狀核的神經元平均投射區域可達20個,單個神經元間的投射目的地差異巨大。”

更讓團隊欣喜的是,擁有同樣的轉錄組資訊的神經元,卻呈現了多樣的神經元形態,這說明神經訊號被傳送到不同的腦區域。“神經元形態的多樣性,對於多水平的瞭解神經元功能,揭示神經元形成的複雜神經環路提供了直觀的切入點。”劉力娟解釋。

來源:科技日報

編輯:王宇

稽覈:嶽靚

終審:何屹

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