大腦中約有860億個神經(jīng)元，它們形態(tài)各異、連接復(fù)雜，共同構(gòu)成支撐感知、記憶、思維和行為的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然而，一個長期困擾腦科學(xué)領(lǐng)域的核心問題是：神經(jīng)元的功能、結(jié)構(gòu)和分子特征這三者之間，究竟是如何關(guān)聯(lián)與塑造的？

北京時間18日深夜，國際學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》（Cell）發(fā)表了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的最新研究成果。由王凱研究員和徐圣進(jìn)研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊首次實現(xiàn)了神經(jīng)元功能、結(jié)構(gòu)和分子三種關(guān)鍵信息的整合解析，建立了全球首個單神經(jīng)元三模態(tài)分析平臺，為理解神經(jīng)元功能形成機(jī)制提供了全新的研究工具。

東方IC 圖

神經(jīng)元三模態(tài)聯(lián)合解析為何困難

長期以來，科學(xué)家主要從三個維度研究神經(jīng)元。功能研究告訴我們神經(jīng)元在處理什么信息；結(jié)構(gòu)研究描繪神經(jīng)元如何連接形成神經(jīng)環(huán)路；分子研究則揭示神經(jīng)元屬于什么細(xì)胞類型、表達(dá)哪些基因。

然而，這些數(shù)據(jù)如同散落的拼圖碎片，彼此間缺乏聯(lián)系。如果把神經(jīng)元比作一個人，過去科學(xué)家或許知道他的職業(yè)、住址或愛好中的某一項，卻無法確定這些信息是否屬于同一個人。正如美國腦計劃主任倪約翰?（John Ngai）在前不久發(fā)表的評論文章中所言：單模態(tài)數(shù)據(jù)之間的割裂，限制了我們對大腦更深層次的理解。

因此，如何在同一個神經(jīng)元上同時獲得功能、結(jié)構(gòu)和分子信息，是當(dāng)前的研究和技術(shù)前沿，但多模態(tài)聯(lián)合解析面臨關(guān)鍵技術(shù)困難。

“首先，各模態(tài)測量技術(shù)之間存在技術(shù)沖突，難以兼容；其次，全腦結(jié)構(gòu)重構(gòu)與分子特征解析分屬不同技術(shù)體系，單個實驗室往往難以同時掌握；此外，經(jīng)過三個模態(tài)、數(shù)十道工序、歷時兩個多月后，總成功率通常大幅衰減?！蓖鮿P表示，技術(shù)壁壘猶如三座大山，橫亙在人類進(jìn)一步理解大腦的道路面前。

破解技術(shù)瓶頸，在完整鼠腦中實現(xiàn)高精度追蹤

新民晚報記者了解到，為實現(xiàn)這一“不可能的任務(wù)”，研究團(tuán)隊經(jīng)過近九年的攻關(guān)克難，發(fā)展出三大核心技術(shù)。

首先是建立一套兼容的多模態(tài)解析流程——團(tuán)隊創(chuàng)造性地發(fā)明了二次病毒注射技術(shù)，解決了功能成像與結(jié)構(gòu)成像之間的標(biāo)記沖突，并開發(fā)了柔性窗口技術(shù)，讓小鼠在完成功能記錄后，仍能進(jìn)行二次標(biāo)記；同時，通過完整鼠腦透明化成像技術(shù)，繞開了傳統(tǒng)切片法對后續(xù)分子檢測的致命影響，確保了細(xì)胞三維空間信息的完整。

在此基礎(chǔ)上，為了實現(xiàn)不切割的完整鼠腦高分辨成像，團(tuán)隊自主研發(fā)了并行化雙光子成像技術(shù)。這項技術(shù)如同一次派出8個“偵察兵”同時掃描不同深度，將單個鼠腦的成像時間從1個月壓縮至100小時，同時能夠容忍樣本深處難以完全透明的缺陷，穩(wěn)定、高速地解析神經(jīng)元跨越整個大腦的精細(xì)投射。

在分子解析方面，團(tuán)隊開發(fā)厚組織三維空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)（2cEASI-FISH），通過組織膨脹、信號鏈?zhǔn)椒糯蟆㈦p色編碼等創(chuàng)新方法，實現(xiàn)單個RNA分子的三維精準(zhǔn)定位成像。

憑借這套強(qiáng)大的平臺，團(tuán)隊在小鼠初級視皮層中成功獲取了141個神經(jīng)元的“三模態(tài)”數(shù)據(jù)集。

為腦疾病精準(zhǔn)調(diào)控提供新抓手

依托這一平臺，研究團(tuán)隊獲得了一系列重要發(fā)現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元的功能并非單純由基因表達(dá)或形態(tài)結(jié)構(gòu)決定，而是由分子特征、細(xì)胞形態(tài)以及神經(jīng)環(huán)路連接共同塑造。當(dāng)結(jié)構(gòu)和分子信息結(jié)合后，對神經(jīng)元功能的預(yù)測能力顯著提升。

研究還發(fā)現(xiàn)，RNA在細(xì)胞內(nèi)部的位置分布本身就是一種全新的生物學(xué)信息。同樣的基因，即使表達(dá)量相同，如果分布在不同亞細(xì)胞區(qū)域，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能也可能完全不同。

此外，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)了一類同時表達(dá)興奮性和抑制性神經(jīng)元標(biāo)志物的特殊細(xì)胞，并揭示其與特定視覺刺激響應(yīng)之間的關(guān)系，為理解神經(jīng)元分類和信息處理機(jī)制提供了新的線索。

王凱表示，這項成果的重要意義不僅在于基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，更在于為未來精準(zhǔn)腦調(diào)控提供了導(dǎo)航圖。很多腦調(diào)控和疾病治療都需要靶向特定功能的神經(jīng)元群體，而三模態(tài)整合技術(shù)有望幫助科學(xué)家通過分子和結(jié)構(gòu)特征來精準(zhǔn)鎖定具有特定功能的神經(jīng)元群體，從而實現(xiàn)更精準(zhǔn)的神經(jīng)調(diào)控。

原標(biāo)題：《世界首次實現(xiàn)單神經(jīng)元三模態(tài)整合解析！滬科學(xué)家為破解腦功能密碼提供全新工具》