基于我国光学成像优势 有助新型人工智能研发

大脑连接图谱是所有神经元之间结构连接的总和。神经元是大脑最基本的组成单元，类型丰富多样，其轴突就像森林中的藤蔓一样，盘根错节、纵横交错。鼠脑有大约1亿个神经元。绘制高分辨率大脑连接图谱，有助于阐明大脑工作原理，是世界各国打造全球脑科学中心的重要基础。该项研究在国际介观图谱领域率先重构了小鼠前额叶皮层6357个单神经元全脑投射图谱，建立了国际上最大的小鼠单细胞全脑投射图谱数据库。而此前，全世界所有完整形态重构的小鼠单神经元加起来也不到3000个。

绘制大脑“森林”，过程极为复杂，是国际上公认的难题。“设想我们把小鼠大脑里面的所有轴突都抽提出来，把它排开，有5000公里那么长，相当于从中国的最西边到最东边的跨度，要把这么长的轴突理清，是一个非常巨大的工程。”中科院脑智卓越中心研究组组长严军研究员说。

为了解决这一问题，严军研究组通过多年攻关，自主开发了一套能够通过半自动方法，在三维空间里快速重构神经元的一套软件系统，帮助科学家探秘大脑中的森林，并描绘每棵树的形态。同时，基于我国在光学成像技术上积累的领先优势，在介观（微米）尺度上，首次发现小鼠前额叶皮层中存在64类神经元投射亚型，揭示了其空间分布规律，阐明了前额叶内部模块化的连接 络和等级结构、神经元转录组亚型与投射亚型的对应关系，从而揭示了前额叶皮层内部连接和外部投射的规律，并提出了前额叶皮层可能的工作模型。而研究中使用的这一整套光学成像大数据神经元追踪及分析软件，也为研究模式动物全脑神经连接图谱建立了一套国际领先的研究方法和流程。

据介绍，大脑皮层不同脑区之间的信息交流依赖于神经元的长程投射，拥有不同投射模式的神经元往往参与不同的脑功能。前额叶皮层在决策、工作记忆、注意力等高级认知功能中扮演重要角色，其结构和功能的异常会导致多种脑疾病。据中科院脑智卓越中心副主任孙衍刚研究员介绍，小鼠介观神经连接图谱计划分三期完成：第一期目标就是昨晚发布的成果；第二期是针对海马（区），海马是在空间、记忆、导航、情绪等方面非常重要的一个结构；第三期是在下丘脑，跟本能行为比如摄食、体温控制（有关），是一个非常重要的中枢。

除了小鼠，斑马鱼和猕猴全脑介观图谱绘制工作也在同步推进，并将组成具有全球影响力的多维度的全脑神经连接图谱数据库，推动我国脑科学发展。“未来，我们还计划对猕猴的前额叶做类似分析，通过分析属于猕猴的特异神经元及其脑连接图谱，进一步认知灵长类大脑的独特性。”中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士说。

该研究由博士研究生高乐、刘桑、胡亚闯、博士后苟凌峰在严军研究员与徐宁龙研究员的指导下完成，并得到了中科院脑智卓越中心姚海珊、徐春、李澄宇、孙衍刚研究员及其研究组和小鼠脑图谱平台团队的帮助。FNT的研发过程得到了上海济光职业技术学院咸菁、乔彦青团队和众多学生志愿者的帮助。华中科技大学龚辉团队承担了全脑成像数据的采集。脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士给予了宝贵建议。该研究获得上海市、科技部、中科院、基金委的资助。