發(fā)布時間：2025-07-10
近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學(xué)研究院、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院、鄭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等國內(nèi)科研機構(gòu)，聯(lián)合法國、瑞典、英國等多國科學(xué)家，借助腦成像、空間轉(zhuǎn)錄組和人工智能等前沿技術(shù)，深入解析了大腦細胞類型多樣性、聯(lián)接規(guī)律、發(fā)育進化規(guī)律及腦疾病分子機制，實現(xiàn)了從嚙齒類到靈長類的介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制的跨越，十項重要成果在Cell、Neuron等國際學(xué)術(shù)期刊以專刊形式發(fā)表，系列成果進一步鞏固了我國在介觀腦圖譜領(lǐng)域的國際影響力。
【腦圖譜研究：解密大腦的“智慧密碼”】
大腦智能起源于神經(jīng)細胞的多樣性、神經(jīng)聯(lián)接的復(fù)雜性，探究其本質(zhì)是腦科學(xué)研究的戰(zhàn)略制高點。為破解感知、運動、學(xué)習(xí)記憶和決策等重要腦功能的運作密碼，腦圖譜研究致力于繪制高精度的“大腦地圖”——精確定位神經(jīng)細胞、解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接規(guī)律，從而為理解腦功能機制、攻克腦疾病及研發(fā)類腦智能提供重要支撐。
自神經(jīng)科學(xué)前驅(qū)拉蒙-卡哈爾（Ramón y Cajal）創(chuàng)立神經(jīng)元學(xué)說以來，繪制精細人腦圖譜一直是科學(xué)界的終極目標之一。哺乳動物大腦的復(fù)雜性超乎想象，人腦包含近千億神經(jīng)元和上萬億神經(jīng)連接，其高度的多樣性、動態(tài)演化特性和物種差異，為全面解析“大腦奧秘”帶來了巨大挑戰(zhàn)。單細胞多組學(xué)測序、高通量全腦成像、新型生物信息學(xué)工具和人工智能等技術(shù)突破，正為繪制精細腦圖譜，進而理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本組織原則提供強大支撐。
【突破性成果：推動腦圖譜研究從結(jié)構(gòu)到功能的邁進】
本次集中發(fā)布的系列成果，覆蓋爬行類、鳥類、嚙齒類、非人靈長類和人類等關(guān)鍵物種，整合了轉(zhuǎn)錄組、聯(lián)接組等多模態(tài)數(shù)據(jù)，進一步擴充了國際腦圖譜在跨物種比較和時空動態(tài)解析方面的內(nèi)涵；與以往成果的點上突破不同，本次系列成果以“自主技術(shù)迭代”為牽引，推進建立了從“環(huán)路解析-進化解密-疾病解碼”的研究體系，有望推動實現(xiàn)從“結(jié)構(gòu)到功能”的質(zhì)的跨越，為深入解密大腦提供了全新視角與關(guān)鍵手段。
1. 腦圖譜賦能神經(jīng)環(huán)路功能解析。近期成果在神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制技術(shù)，感知、意識與記憶等關(guān)鍵腦功能的神經(jīng)環(huán)路解析上取得系列突破。在技術(shù)開發(fā)方面，基于此前自主研發(fā)的首次實現(xiàn)獼猴全腦微米分辨三維成像的超高速VISoR技術(shù)，進一步開發(fā)了blockface-VISoR成像系統(tǒng)，結(jié)合優(yōu)化的全身透明化流程ARCHmap，實現(xiàn)了40小時內(nèi)成年小鼠全身均一微米分辨三維成像，解析了全身不同類型周圍神經(jīng)的精細結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，建立了周圍神經(jīng)聯(lián)接圖譜研究的新范式；率先建立靈長類大腦神經(jīng)細胞類型特異性標記、神經(jīng)活性調(diào)控及觀測的工具集，突破了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)基因模型的局限性，為深入理解靈長類腦結(jié)構(gòu)、腦認知及未來精準靶向腦疾病治療提供了關(guān)鍵技術(shù)，標志著靈長類腦科學(xué)進入了精準細胞類型研究新階段。利用病毒示蹤、亞微米分辨連續(xù)精準三維成像技術(shù)（fMOST）和單細胞重構(gòu)技術(shù)，全面揭示了小鼠脊髓投射神經(jīng)元與腦內(nèi)中繼神經(jīng)元的投射模式及聯(lián)接規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其通過“并行-發(fā)散-匯聚”模式構(gòu)建“信息高速公路”，為理解疼痛、瘙癢、觸覺等的感知機制提供全新結(jié)構(gòu)框架。在意識基礎(chǔ)方面，發(fā)現(xiàn)獼猴屏狀核內(nèi)部在前后軸方向存在廣泛聯(lián)系，與小腦外所有皮層和皮層下腦區(qū)相連，是大腦的連接中樞，為理解靈長類意識產(chǎn)生的多模態(tài)信息整合機制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)（Lei et al., Cell, 2025）。在認知決策的神經(jīng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方面，利用自主研發(fā)的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續(xù)精準三維成像技術(shù)（LV-fMOST）和Gapr神經(jīng)元追蹤系統(tǒng)，重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中主要亞區(qū)的2231個投射神經(jīng)元，揭示獼猴前額葉皮層存在“精簡高效”神經(jīng)聯(lián)接模式，實現(xiàn)精準、模塊化的信息處理策略，為深入解析靈長類高級認知功能的神經(jīng)機制提供了基本框架。
2. 腦圖譜賦能腦進化與發(fā)育特性解析。利用Stereo-Seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，在細胞類型及神經(jīng)聯(lián)接的演化上，通過比較進化關(guān)鍵節(jié)點物種（龜、鳥、小鼠、獼猴等）端腦與小腦細胞圖譜，揭示GABA能神經(jīng)元在脊椎動物的演化中高度保守，同時發(fā)現(xiàn)鳥類小腦特異性地存在與運動功能相關(guān)的浦肯野細胞亞型，在時空維度上解析了羊膜動物腦細胞類型的演化軌跡，為揭示生命智慧涌現(xiàn)的底層規(guī)律建立了全新研究范式；發(fā)現(xiàn)獼猴屏狀核存在4個亞區(qū)，不同亞區(qū)內(nèi)存在特定的靈長類特異細胞類型，并與大腦不同的功能腦區(qū)相聯(lián)接，揭示了屏狀核在進化過程中的重要擴展和特化。在演化與發(fā)育的關(guān)系層面上，首次繪制小鼠腦發(fā)育時空基因表達圖譜，不僅為大腦發(fā)育研究提供了全面的時空轉(zhuǎn)錄組資源，還為神經(jīng)發(fā)育的調(diào)控機制研究提供了新的思路；揭示了哺乳動物下丘腦在模式生成機制和神經(jīng)元譜系等方面的進化保守性，發(fā)現(xiàn)了人類下丘腦神經(jīng)元在四個方面的進化特征，為理解下丘腦發(fā)育、功能、疾病以及演化，奠定了重要的理論基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)靈長類軸突終末覆蓋精準度顯著高于小鼠，具備更高效的空間特異性信息處理，顛覆了“腦容量擴大伴隨神經(jīng)元聯(lián)接擴張”的傳統(tǒng)認知。
3. 腦圖譜賦能腦疾病機制解析。利用Stereo-Seq空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)，首次繪制了正常人及阿爾茨海默病（AD）患者海馬的單細胞分辨率空間轉(zhuǎn)錄圖譜，發(fā)現(xiàn)了病理性小型膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞在海馬傘區(qū)域的高度富集及細胞通訊增強，解析了Aβ微環(huán)境分子變化，為AD病理研究提供了更精細、系統(tǒng)的分子機制解析，為AD的早期診斷提供了新的可能性；首次繪制小鼠腦出血后超急性期至恢復(fù)期的時空動態(tài)分子圖譜，揭秘腦出血損傷與修復(fù)進程，闡明了以膠質(zhì)細胞為代表的多種細胞類型在組織損傷與修復(fù)過程中的關(guān)鍵作用，為新藥開發(fā)和精準治療提供了重要參考。
【大科學(xué)計劃：凝聚全球腦圖譜研究優(yōu)勢力量的基石】
在中國國際大科學(xué)計劃和大科學(xué)工程等國家戰(zhàn)略的指引下，科技部將“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計劃（以下簡稱“腦圖譜大科學(xué)計劃”）作為重點培育的國際大科學(xué)計劃之一，2020年科技部召開了腦圖譜大科學(xué)計劃啟動前期工作座談會，并成立中國工作組；專項部署大科學(xué)計劃培育項目，從而更好助力搶占腦科學(xué)制高點，服務(wù)國家科技強國戰(zhàn)略。
自啟動培育以來，結(jié)合國內(nèi)外領(lǐng)域發(fā)展態(tài)勢和當前技術(shù)水平發(fā)展狀況，腦圖譜大科學(xué)計劃的核心目標逐步聚焦在繪制非人靈長類動物和人腦全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜。在該戰(zhàn)略布局下，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、海南大學(xué)、華大生命科學(xué)研究院、上海腦科學(xué)與類腦研究中心等國內(nèi)核心機構(gòu)正在牽頭，與全球頂尖科研機構(gòu)及科學(xué)家開展深度合作，共同籌建“國際靈長類介觀腦圖譜聯(lián)盟”，有力推進了腦圖譜大科學(xué)計劃在總體目標、國際分工和管理機制等方面形成國際共識，并將進一步整合技術(shù)、平臺、人員、數(shù)據(jù)等資源，形成更大規(guī)模的跨機構(gòu)科研合作團隊，加快推動腦圖譜研究進程。
本次腦圖譜大科學(xué)計劃系列成果由國內(nèi)外30多家科研機構(gòu)組成的超過300人的團隊共同完成，充分展現(xiàn)了國際團隊協(xié)同攻關(guān)的能力和成果，標志著腦圖譜大科學(xué)計劃的時機已經(jīng)成熟；增強了國內(nèi)外合作團隊對腦圖譜大科學(xué)計劃成功發(fā)起的信心，為正式由科學(xué)界先行發(fā)起奠定了堅實基礎(chǔ)。
靈長類腦圖譜研究具有工程浩大、周期長、數(shù)據(jù)量驚人等特點，對此，我們呼吁要持續(xù)深化全球科技合作，共同向破解靈長類介觀腦圖譜的更高目標發(fā)起沖擊。
【未來展望：繪制靈長類介觀腦圖譜】
腦圖譜研究的價值遠超科學(xué)本身。隨著新型成像技術(shù)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，當前腦圖譜大科學(xué)計劃的研究目標已從小型動物邁進到繪制非人靈長類介觀腦圖譜的關(guān)鍵階段，穩(wěn)步向著繪制人腦介觀圖譜的最高目標邁進。下一步，腦圖譜大科學(xué)計劃將依托腦圖譜研究國際聯(lián)盟，持續(xù)擴大國際合作；建立腦圖譜技術(shù)共享平臺，推動同步輻射X射線神經(jīng)示蹤技術(shù)、單細胞時空多組學(xué)技術(shù)、AI算法和系統(tǒng)等新技術(shù)研發(fā)；整合大腦細胞圖譜、聯(lián)接圖譜和不同尺度或分辨率的多模態(tài)數(shù)據(jù)，建立AI輔助的數(shù)據(jù)采集、分析、解釋和驗證手段，構(gòu)建面向全球開放共享的“腦圖譜數(shù)據(jù)庫”，為理解人類大腦奧秘提供關(guān)鍵基礎(chǔ)，推動實現(xiàn)“認識腦、模擬腦、保護腦”的宏偉目標。
腦圖譜研究團隊部分成員
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