發(fā)布時間：2023-04-20
更好地認(rèn)識和理解大腦，不僅可以幫助治療腦疾病，也可以為人工智能的發(fā)展提供新思路。神經(jīng)元作為大腦中最基本的組成單元之一，它們之間的連接組成了復(fù)雜的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了大腦功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。因而理清神經(jīng)元復(fù)雜的投射模式及其基本規(guī)律，對于理解大腦的組織結(jié)構(gòu)和信息處理機(jī)制具有重要的意義。
在以往的研究中，科學(xué)家只能利用群體神經(jīng)元示蹤的技術(shù)研究大腦中不同區(qū)域的相互聯(lián)系。這樣的研究構(gòu)建了大腦群體神經(jīng)元聯(lián)接圖譜的概況。隨著研究的深入，群體神經(jīng)元聯(lián)接圖譜已不能滿足科研需求，而隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，借助熒光顯微斷層成像技術(shù)(fluorescence micro-optical sectioning tomography /fMOST)以及三維單神經(jīng)元重構(gòu)技術(shù)，繪制更加精細(xì)的單神經(jīng)元投射圖譜成為了可能。
小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜
2022年，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓創(chuàng)新中心在國際著名期刊Nature Neuroscience上發(fā)表了題為《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》的研究論文。該論文首次構(gòu)建了共計(jì)6357個神經(jīng)元的小鼠前額葉皮層的單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫。
通過對這些神經(jīng)元進(jìn)行形態(tài)學(xué)的分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)小鼠前額葉皮層神經(jīng)元可以分為3個大類。即皮層椎體束神經(jīng)元、皮層內(nèi)投射神經(jīng)元、皮層丘腦束神經(jīng)元。通過對這三大類型神經(jīng)元形態(tài)的深入分析，作者發(fā)現(xiàn)其可以進(jìn)一步分為64個亞型，不同亞型的神經(jīng)元往往有著不同的胞體分布、神經(jīng)元形態(tài)和投射模式。例如，亞型53和55主要分布于前扣帶回(Anterior Cingular Area, ACA)腦區(qū)的后部且主要投射到上丘的運(yùn)動相關(guān)腦區(qū)(Superior Colliculus motor related, SCm)，而亞型54和57主要分布于ACA腦區(qū)的前部且主要投射到腦橋中央灰質(zhì)(Pontine central gray, PCG)（圖1）。
圖1. 不同的神經(jīng)元亞型存在胞體分布和投射腦區(qū)的異質(zhì)性
A． 亞型53和55以及亞型54和57的神經(jīng)元胞體在三維空間的分布。
B． 投射到SCm和PCG的神經(jīng)元在ACA腦區(qū)的分布。
C． 亞型53和55以及亞型54和57的神經(jīng)元對SCm和PCG投射的軸突形態(tài)。
借助單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫，科研人員可以在單神經(jīng)元水平對神經(jīng)元的胞體位置、投射結(jié)構(gòu)及規(guī)律進(jìn)行高精度的分析。目前中科院科學(xué)家已將這套數(shù)據(jù)進(jìn)行了線上共享，只要訪問https://mouse.braindatacenter.cn/即可以對已發(fā)表的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線的瀏覽和分析。神經(jīng)元之間的相互投射是大腦執(zhí)行各種功能的基礎(chǔ)，而理清神經(jīng)元上下游的投射信息，往往是開展神經(jīng)環(huán)路功能研究的第一步。隨著單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)庫的不斷完善，單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)一定會成為研究中的“加速劑”，可以在課題進(jìn)展的各個階段查閱和分析單神經(jīng)元的投射譜數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而更好地推進(jìn)課題，更好地理解腦、使用腦、保護(hù)腦。
單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數(shù)據(jù)庫功能簡介
腦智卓越中心數(shù)據(jù)與計(jì)算中心結(jié)合科研成果，利用計(jì)算機(jī)圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)，綜合用戶交互體驗(yàn)，選取WebGL融合風(fēng)格化前端套件的BS架構(gòu)作為系統(tǒng)頂層運(yùn)作方式，首次構(gòu)建了共計(jì)6357個神經(jīng)元的小鼠前額葉皮層的單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)庫[https://mouse.digital-brain.cn/projectome/pfc]。
單神經(jīng)元投射圖譜數(shù)據(jù)庫是集神經(jīng)元swc文件、投射信息、分類信息等數(shù)據(jù)共享于一體的可視化網(wǎng)頁平臺。該網(wǎng)站系統(tǒng)地展示小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元水平的投射圖譜。其主要功能如下：
1. 便捷搜索功能：在網(wǎng)頁左側(cè)導(dǎo)航欄提供Neurons和Regions選項(xiàng)，默認(rèn)顯示選項(xiàng)為Neurons。在Neurons頁，Query下拉框中支持選擇Anatomical region、Neuron subtype、ID等維度查詢。系統(tǒng)默認(rèn)為Anatomical region維度，用戶可根據(jù)神經(jīng)元的胞體位置、投射情況進(jìn)行多維度組合檢索自己感興趣的神經(jīng)元，搜索返回結(jié)果將在正下方展示神經(jīng)元的編號。在返回結(jié)果中，勾選需加載的神經(jīng)元編號，點(diǎn)擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的神經(jīng)元將以不同的顏色實(shí)時渲染到3D腦空間上，并且在右側(cè)展示選中神經(jīng)元的信息，支持查看神經(jīng)元的所屬樣本與投射信息。另外，也支持按照類型進(jìn)行檢索，并批量實(shí)時渲染到視圖中。
2. 多元化信息可視化：系統(tǒng)支持腦圖譜多元多維化數(shù)據(jù)可視化，除支持神經(jīng)元二維與三維信息可視化，還支持腦區(qū)模型以及二維信息實(shí)時可視化。用戶可點(diǎn)擊導(dǎo)航欄上的Regions 選項(xiàng)，支持在樹形結(jié)構(gòu)上進(jìn)行勾選或者通過搜索框進(jìn)行模糊搜索。當(dāng)勾選需要渲染的腦區(qū)，點(diǎn)擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的腦區(qū)信息將已豐富的顏色實(shí)時渲染到3D腦空間上，并且在右側(cè)展示選中腦區(qū)的信息。
3. 交互式圖譜可視化：在網(wǎng)頁視圖模塊，用戶可對渲染的腦區(qū)與神經(jīng)元進(jìn)行放大、縮小、拖動、旋轉(zhuǎn)等交互式操作。同時，在視圖上方也提供便捷的圖標(biāo)按鈕功能區(qū)，支持用戶在探索時靈活的切換水平面、矢狀面、冠狀面視角展示，多方向旋轉(zhuǎn)方向以及全屏展示等功能。用戶也可根據(jù)需要設(shè)置神經(jīng)元僅顯示Soma、Axon、Dendrite或者組合可視化。
4. 數(shù)據(jù)下載功能：網(wǎng)頁上已支持神經(jīng)元swc數(shù)據(jù)單個或批量下載功能。單神經(jīng)元swc下載：神經(jīng)元渲染加載到視圖中，則右側(cè)Neurons菜單欄下會展示加載的神經(jīng)元編號，點(diǎn)擊編號后面的下載的icon，可進(jìn)行單神經(jīng)元swc文件的下載；批量下載：選擇Query下拉框下的Neuron subtype，選擇PFC項(xiàng)目下的分類type，如選擇“2”，再展示搜索數(shù)據(jù)結(jié)果中，勾選數(shù)據(jù)，支持勾選All進(jìn)行全量選擇，點(diǎn)擊底部的下載icon，對勾選的文件進(jìn)行打包下載，頁面彈出下載進(jìn)度條；當(dāng)下載進(jìn)度100%，在用戶默認(rèn)下載路徑下，可查看到以type命名的zip文件包（每個類型下載數(shù)據(jù)包含原始數(shù)據(jù)與配準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)）。
5. 用戶支持：網(wǎng)頁右上角提供Getting Stared功能，可點(diǎn)擊進(jìn)行觀看用戶操作視頻，了解更多詳細(xì)的功能；為更好建立與用戶的橋梁機(jī)制，當(dāng)用戶有建議或者遇到問題時，可點(diǎn)擊Contact Us，隨時與平臺進(jìn)行聯(lián)系。
相信隨著腦圖譜數(shù)據(jù)的廣泛使用，以及數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的不斷提高，腦圖譜數(shù)據(jù)可視化將更有效地深入挖掘腦圖譜數(shù)據(jù)，進(jìn)而更加有效的理解大腦結(jié)構(gòu)和腦網(wǎng)絡(luò)連接規(guī)則。
圖 小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜神經(jīng)元形態(tài)與信息可視化
作者 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 錢柳欽 焦卓磊
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