想要幫助視障人士恢復視覺，植入一個腦機接口、讀出腦電信息就足夠了嗎？顯然沒那么簡單。“看到”之后產(chǎn)生空間感知、存儲記憶，都與大腦海馬體中的信息投射有關。

為了對這個與學習、記憶、情緒、認知等腦功能息息相關的復雜腦區(qū)有全景式了解，在中國腦計劃的項目支持下，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心領銜，聯(lián)手多個國內(nèi)研究團隊，花費近4年，解析了海馬神經(jīng)元的空間聯(lián)接規(guī)律，并建立了小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫。論文于2月2日發(fā)表在國際頂尖學術期刊《科學》上。

上萬個腦細胞中識別出43種“信息傳輸員”

大腦中的海馬體功能復雜而重要。曾經(jīng)，三位科學家在海馬腦區(qū)發(fā)現(xiàn)了位置細胞，解開大腦空間定位系統(tǒng)之謎，就獲得了2014年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

不過，整個海馬體究竟有哪些功能區(qū)？它們又將信息投遞到何處？這個工作量龐大卻對腦科學具有重要意義的基礎性難題，卻一直無人解答。

“中國腦計劃的一個重要目標，就是要弄清全腦神經(jīng)元是如何聯(lián)接的。從細胞圖譜到聯(lián)接圖譜，就是一個關鍵的轉(zhuǎn)變。”中國科學院院士、腦智卓越中心學術主任蒲慕明說，這次發(fā)表的世界上最大的海馬腦區(qū)信息投射聯(lián)接圖譜，就是一個階段性成果。

通過海馬體切片、基因分型、三維重構、數(shù)據(jù)分析等多種先進技術手段，研究團隊在海馬體的不同位置提取了上萬個腦細胞，建立起小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜的數(shù)據(jù)庫。

“我們從中分析出了小鼠海馬神經(jīng)元的341種主要投射模式，最終歸納出43種全腦投射細胞類型。”腦智卓越中心徐春研究員是這項研究的領銜人，“如果將海馬體比作一幢行政大樓，我們基本給每間辦公室都貼上了標簽，每個辦公室會聚集不同功能特點的神經(jīng)元，會以不同方式將信息送達不同腦區(qū)”。

結(jié)合軸突投射路徑和主要投射模式，研究團隊總結(jié)了43種全腦投射細胞類型。

更值得一提的是，研究團隊還關注到這些神經(jīng)元之間的“人際關系”。徐春解釋，就像有些同事經(jīng)常一起合作，而有的偶爾有工作交流，神經(jīng)元之間的聯(lián)接還有強弱之分。跟傳統(tǒng)的投射圖譜相比，單細胞全腦投射圖譜能夠很好地表征這些信息。“這對將來深入理解不同腦區(qū)之間的協(xié)作機制有著重要意義”。

從小鼠到人腦，需要更多底層技術突破

在蒲慕明看來，這次成果僅僅是一個起步。小鼠海馬體的神經(jīng)元數(shù)量數(shù)以百萬計，獼猴的海馬體神經(jīng)元數(shù)量百倍于小鼠，而人腦的海馬體又百倍于獼猴。顯而易見，科學家的探索之路道阻且長。

不過，通過近四年的努力，一支多學科融合、底層技術扎實的科研團隊已經(jīng)形成。參與此次研究的，除了領銜的腦智卓越中心外，還有華中科技大學蘇州腦空間信息研究院、海南大學、中國科學院昆明動物研究所、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心等多家單位。

回憶過去四年，徐春感觸最深的就是團隊的跨學科合作，“對于生物學背景的學者而言，要完成計算機領域的數(shù)據(jù)處理任務，實在是困難重重。好在通過與計算數(shù)據(jù)方面的合作者的深入交流，最終找到了很多優(yōu)秀解決方案。”

“過去四年，有很多個夜晚，我都在深夜獨自一行行敲代碼。當時感覺很辛苦，但現(xiàn)在想來是一種幸福。”論文第一作者之一、腦智卓越中心博士生邱收說，無論遇到哪方面的問題，都能在團隊中找到交流的人。

不同側(cè)面的單細胞分辨率全腦投射圖譜

論文通訊作者之一、臨港實驗室研究員李澄宇特別感謝來自華中科技大學蘇州腦空間信息研究院的技術支撐。神經(jīng)元軸突僅有頭發(fā)絲1/200粗細，而長度堪比女生披肩長發(fā)，可在全腦中蜿蜒曲折幾十厘米。“我們之所以能成功挑戰(zhàn)這一目標，他們獨步全球的全腦熒光標記技術發(fā)揮了關鍵作用。”李澄宇認為，未來還應在底層技術的創(chuàng)新突破上加大投入。

開放數(shù)據(jù)庫，在國際合作中加速認知大腦

目前，小鼠海馬腦區(qū)單神經(jīng)元的全腦介觀投射聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫已經(jīng)上線，全球科學家都可下載相關數(shù)據(jù)用于科學研究。

徐春介紹，團隊專門對數(shù)據(jù)進行了專業(yè)的可視化處理，以方便更多研究者使用，“我們希望今后有源源不斷的研究成果從數(shù)據(jù)中誕生，持續(xù)深化人類對海馬體的了解”。

“美國腦計劃已開展十年，而中國腦計劃剛推行兩年，我們非常需要更多支撐，尤其通過全球合作，來加速我們的研究步伐。”蒲慕明表示，有“三磅宇宙”之稱的大腦，是生命科學界尚未攻克的最后疆域，“在聯(lián)接圖譜領域，中國有一定的科研優(yōu)勢。我們要牢牢抓住這些領域，在世界腦科學中保持領先。”

徐春透露，下一步研究團隊將關注海馬體的跨物種演化，從不同物種的海馬體對比中，解讀出其進化之路，并開展大量的海馬體功能驗證研究。