北京時(shí)間7月10日23時(shí)，《細胞》《神經(jīng)元》《發(fā)育細胞》期刊在線(xiàn)發(fā)布了由上?？蒲袡C構牽頭，聯(lián)合國內8家機構以及法國、瑞典、英國等國科學(xué)家取得的多項腦科學(xué)研究成果。作為國際頂級科學(xué)期刊，《細胞》以封面形式刊登“中國腦計劃”系列成果，足見(jiàn)其含金量之高。

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國科學(xué)院腦智卓越中心”)學(xué)術(shù)主任蒲慕明介紹，“中國腦計劃”團隊利用高精度光學(xué)腦成像、空間轉錄組和人工智能等前沿技術(shù)，深入解析了大腦細胞類(lèi)型多樣性、聯(lián)接規律、發(fā)育進(jìn)化規律和腦疾病分子機制，在單細胞分辨率下，實(shí)現了介觀(guān)腦圖譜繪制從嚙齒類(lèi)動(dòng)物到靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的跨越。

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

 

　　最新一期《細胞》雜志封面

　　美歐日中先后啟動(dòng)腦計劃

　　大腦和宇宙一樣，還存在大量未解之謎。哺乳動(dòng)物大腦的復雜性超乎想象，其中最復雜的人腦，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構和功能帶來(lái)了巨大挑戰。

　　繪制精細人腦圖譜，一直是科學(xué)界的終極目標之一。隨著(zhù)單細胞多組學(xué)測序、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，繪制精細的靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物腦圖譜，已成為科學(xué)界的近期目標。

　　據了解，腦圖譜研究是美國、歐盟、日本和中國腦計劃的重要組成部分，國際競爭激烈。美國在2013年啟動(dòng)的腦計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)的腦計劃聚焦腦模擬研究，10年投入約6億歐元，但未能實(shí)現其預設的大規模“模擬腦”目標。

　　與美、歐、日相比，“中國腦計劃”起步較晚，于2021年正式啟動(dòng)，以腦認知原理為研究主體，以腦重大疾病研究和類(lèi)腦智能研發(fā)為“兩翼”。我國科研團隊開(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)空轉錄組學(xué)技術(shù)等領(lǐng)先技術(shù)，在國際上率先繪制出單細胞分辨率下的靈長(cháng)類(lèi)介觀(guān)腦圖譜。

　　“這是中國生命科學(xué)領(lǐng)域規模最大的合作項目，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(cháng)類(lèi)高級認知腦區

　　在《細胞》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。中國科學(xué)院腦智卓越中心研究員嚴軍介紹，靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的前額葉皮層是負責高級認知功能的最關(guān)鍵腦區，但其神經(jīng)聯(lián)接規律仍不清楚。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精準三維成像技術(shù)、課題組自主研發(fā)的GAPR神經(jīng)元追蹤系統，獲取并重構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)系統分析，他們發(fā)現了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)元具有高度的靶向專(zhuān)一性、更少的軸突分支和更集中的末梢分布。

　　

 

　　中國科學(xué)院腦智卓越中心介觀(guān)腦圖譜研究團隊

　　美國科學(xué)院院士、麻省理工學(xué)院麥戈文腦研究所所長(cháng)羅伯特·德西蒙(Robert Desimone)稱(chēng)這項成果是中國科研團隊的“杰作”，因為它是全球首個(gè)靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物的單神經(jīng)元投射圖譜。“這一靈長(cháng)類(lèi)前額葉皮層及其連接的‘線(xiàn)路圖’，對我們進(jìn)一步理解健康和疾病狀態(tài)下的認知功能非常重要。”

　　不僅如此，獼猴腦圖譜對新一代人工智能研發(fā)也具有重要價(jià)值。嚴軍解釋?zhuān)?ldquo;我們發(fā)現，靈長(cháng)類(lèi)大腦中神經(jīng)元之間采用的是專(zhuān)一、精準的連接方式，不同區域之間通過(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 )。如果將這種設計理念應用到硅基系統中，或許能讓人工智能對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也會(huì )更接近人腦。”

　　為破解意識產(chǎn)生之謎奠基

　　在人類(lèi)大腦深處，隱藏著(zhù)一個(gè)薄如紙片的神秘結構——屏狀核。其重要性不亞于前額葉皮層，因為它可能是意識產(chǎn)生的關(guān)鍵腦區。2005年，諾貝爾生理學(xué)或醫學(xué)獎得主弗朗西斯·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)和認知功能的信息進(jìn)行整合，從而產(chǎn)生統一的意識體驗。

　　為了破解大腦意識產(chǎn)生之謎，中國科學(xué)院腦智卓越中心聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院、法國國家衛生與醫學(xué)研究院干細胞與腦研究所、臨港實(shí)驗室、上海腦科學(xué)與類(lèi)腦研究中心、騰訊AI實(shí)驗室等機構，采用“單核轉錄組測序+時(shí)空轉錄組學(xué)技術(shù)”，繪制出獼猴屏狀核單細胞分辨率的時(shí)空圖譜。這是全球首個(gè)非人靈長(cháng)類(lèi)屏狀核時(shí)空圖譜，揭示了獼猴屏狀核中每個(gè)腦細胞的基因信息，并為它們標注了“住址”。相關(guān)論文已發(fā)表在《細胞》上。

　　

 

　　獼猴屏狀核單細胞分辨率的時(shí)空圖譜

　　“這項研究對腦功能理解產(chǎn)生的影響是多方面的。”中國科學(xué)院腦智卓越中心研究員沈志明說(shuō)，它為意識研究提供了堅實(shí)的細胞和分子基礎，通過(guò)詳細描繪屏狀核的細胞組成和聯(lián)接模式，讓科研人員能更精確地測試和驗證關(guān)于意識產(chǎn)生機制的各種假說(shuō)，為理解復雜認知功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )基礎提供了新的視角。

　　在醫療領(lǐng)域，基于屏狀核圖譜的精準醫學(xué)方法有望為意識障礙患者的診斷和治療帶來(lái)重要改變。通過(guò)精確調控屏狀核的活動(dòng)，未來(lái)可能實(shí)現對大腦整體狀態(tài)的有效調節，為抑郁癥患者調節情緒狀態(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制，未來(lái)可能開(kāi)發(fā)出更有效的認知訓練方法，提高人們的學(xué)習效率和思維能力。

　　《細胞》審稿人寫(xiě)道：“這項研究令人印象深刻且意義重大。”在探索大腦意識產(chǎn)生機制的道路上，中國科學(xué)家邁出了關(guān)鍵一步。

　　原標題：《“中國腦計劃”系列成果登上《細胞》封面，通向大腦意識之謎和新一代人工智能》

　　欄目主編：黃海華

　　來(lái)源：作者：解放日報 俞陶然