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猕猴脑啥样? 猕猴大脑微米级分辨率三维解析实现

时间:2021-09-23 14:21:07    来源:深圳商报    
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大脑是生命活动的司令部,识别大脑三维结构,对脑科学研究有重要作用。7月26日,中科院深理工/中科院深圳先进院毕国强教授等的最新研究成果发表于《自然·生物技术》。团队历时5年,通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制SMART流程,实现了猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。这也是目前世界上最高精度的灵长类动物脑图谱。

长久以来,为了能“看清”大脑的内部结构,了解其运转机制,科学家们都在尝试绘出一幅包含连接,功能和微观结构的大脑高清“地图”并做出诸多努力,然而其技术难度极大。

大脑内部的神经网络结构,就像地球表面错综复杂的道路与河流。要绘制它的高清“地图”,需要精细分解和描绘复杂的三维结构。由于技术限制,目前的脑图谱研究主要集中于小鼠层面,国际通用的成像技术,对小鼠进行微米分辨率全脑成像,通常需要数天时间。猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上,要在较短时间内完成猕猴全脑成像,是一项极大挑战。

此前,团队经过数年攻关,研发了VISoR高速三维荧光成像技术,于2019年发表于《国家科学评论》。这一技术通过斜截面扫描照明与同步成像,实现了在样品连续运动时,进行无模糊的图像采集,消除了传统大样品成像需要在不同的小视野切换、停顿所带来的时间损失,数据采集速度比当前通用的几种方法提升了数十倍。

据悉,该项目中两只猕猴大脑图像原始数据量超过了1 PB,约相当于113块10T硬盘的数量存储大小。“如此海量的数据蕴含着非常庞大的信息量,但也为数据分析带来极大的挑战。”论文共同第一作者徐放表示。为此,团队开发了自动三维图像拼接技术,实现了猕猴大脑的三维图像重建。

成像不仅要全面,更要高清。大脑内有上亿个神经元,长长的神经元轴突就像是电线,延伸到大脑的各个区域,发挥着传输信号的功能。要完整描绘它们,需要微米级分辨率。

为此,团队开发了渐进式的半自动追踪技术,实现了对神经元轴突的长距离追踪,并基于前期工作基础,发现了前所未知的猕猴轴突纤维投射特,及其在大脑皮质沟回处转折延伸的多种路径形态。

“他们的初步观察表明,大脑皮层下方白质中的许多轴突具有出乎意料的复杂轨迹,包括与皮层折叠相关联的急转弯。这一发现可能对理解大脑形态发生和‘布线长度最小化’原则具有深远的意义。”美国科学院院士、神经生物学与解剖学家、华盛顿大学David van Essen(大卫·冯·埃森)教授表示。

“VISoR技术作为当前世界最快的大尺度三维组织成像方法,可以对各种模型动物大脑进行高通量、高精度的定量解析,并可扩展至其他组织器官,在大规模药物筛选、快速病理诊断,以及更大型生物样品成像等领域都有广阔的应用前景。这项技术产生的超大规模数据与人工智能技术的结合,有望加速脑疾病诊断和药物研发。”毕国强表示。(深圳商报记者 袁斯茹)

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