最完整的灵长类动物大脑图谱问世

最完整的灵长类动物大脑图谱问世
来源:新民周刊   记者:陈 冰​   2023-07-26 11:03

阅读提示:据认为,将4200万个猕猴脑细胞绘制成一张前所未有的灵长类动物大脑图谱,这一里程碑式的突破,堪比元素周期表、人类基因组序列诞生!


大脑虽然仅仅只有三磅重量却是如此的神秘而神奇。作为人类探索自然的最后两处圣地之一,大脑已经成为人类理解世界和探寻自身的终极疆域。

为什么理解大脑如此困难?

因为它是人类最复杂的器官之一,具有许多不同的结构和功能。它拥有数以亿计的神经元,使得大脑形成了结构异常复杂的神经网络。这些神经元通过神经元之间的连接(突触)让人类得以感觉、思考、记忆,但它们究竟是怎么交流和传递信息的,人类还所知甚少。大脑采用并行处理的方式运行,即多个区域同时参与不同的功能处理,而且,随着任务不同,神经元的活动是动态变化的。再加上大脑受遗传、发育、环境等多种因素影响,这些因素的复杂性进一步加剧了理解大脑的困难程度。

脑智卓越中心副主任孙衍刚研究员指出,斑马鱼约有10万个脑细胞,小鼠约有7000万个脑细胞,与人类最接近的猕猴约有60亿个神经元,即便是在脑科学研究领域领先的美国,也只是完成了小鼠运动皮层细胞的分布图谱,小鼠其他脑区尚未完全搞清楚。而要将数以亿计的人类脑细胞及其工作原理解析清楚,需要全世界的科学家共同努力,才能完成这项浩大工程。

但科学的魅力往往在此——越是困难,越是迷人。

近日,我国科学家领衔的科研团队,利用我国自主研发、国际领先的超高精度大视场空间转录组测序技术和高通量单细胞核转录组测序技术,在国际上首次获取目前为止最完整的猕猴大脑全皮层基因表达数据,成功绘制了三维单细胞空间分布图谱,揭示了细胞类型的组成和灵长类脑区层级结构之间的关系,为进一步研究各类神经元之间的连接提供了分子细胞基础。

7月12日晚,这项由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)与华大生命科学研究院、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯人工智能实验室、深圳国家基因库、瑞典皇家理工学院和瑞典卡罗林斯卡医学院等国内外17家科研单位106人合作完成的科研成果,发布在国际顶级学术期刊《细胞》上。

据认为,将4200万个猕猴脑细胞绘制成一张前所未有的灵长类动物大脑图谱,这一里程碑式的突破,堪比元素周期表、人类基因组序列诞生!


从猕猴入手,破译大脑


灵长类大脑神经细胞数量巨大,它们相互连接形成了复杂而精细、支撑高级认知和行为的特定神经环路;这些细胞和环路的异常又导致了许多脑疾病。大脑由哪些细胞组成、这些细胞的空间分布有什么规律,是脑科学的基本问题。

与其他物种相比,灵长类动物具有更高的认知和社会能力,同时具有更大的皮层和更多细胞类型。由于进化上的相近,它们与人类具有约95%的遗传物质同源性和最接近的基因背景及表型特征,是许多神经系统疾病研究最合适甚至是唯一的模型动物。猕猴,作为演化中离人最近的动物,引起了脑科学家的关注——它只有60亿个神经元,在体积与功能上与人脑接近,解析猴脑皮层中细胞的组成及其空间分布规律对于阐明灵长类大脑的组织规律至关重要。从猕猴脑研究入手破译人类大脑的基本机制,成为全球脑科学研究的前沿热点。

“现在的医用脑CT精度可以达到毫米级,由此看到的是大脑的宏观图像,而我们要做的是在1微米至100微米的介观尺度上,对脑细胞进行分类、看清其特征基因的空间分布和表达模式。”中国科学院院士、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说,这是脑科学研究的重要基础。

研究团队采用了一种新开发的大视野空间转录组方法,并结合任务需要,自主开发了一种制备猕猴大脑厘米尺度薄切片的方法,经过两年多的艰苦实验和数据分析,最终获得了目前最完整的灵长类大脑数据,并据此绘制出猕猴全皮层的三维单细胞空间分布图谱。

中国科学院脑智卓越中心研究员李澄宇介绍,大脑图谱包括细胞图谱、连接图谱和功能图谱,解析大脑里的细胞类型及分布的是细胞图谱;这些细胞连接而形成网络,把网络绘制出来的就是连接图谱;剖析这些连接如何工作,则是功能图谱。“研究大脑图谱不仅可以帮助我们认识大脑疾病的机理,还能解析大脑功能原理,启发下一代类脑人工智能。”

通过细胞图谱,他们发现,在不同脑区的大脑皮层中,各种脑细胞的分布有各自不同特点。更有趣的是,处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型。此外,通过与人脑、鼠脑相关数据的跨物种比较,研究团队还发现,多种灵长类特有的兴奋性神经元细胞分布于大脑皮层第四层,而且高度表达着多个与人类疾病相关的基因。

“绘制出猕猴脑细胞的分类图谱,只是迈出了第一步。”蒲慕明透露,团队将在三年内发布猕猴脑细胞的结构图谱,展示重要脑区的脑细胞连接图像,“此后还将研究绘制猕猴的脑功能图谱,对脑细胞进行动态监测,观察其电活动,从中寻找到规律,并实现操控”。


争分夺秒的“时空芯片”实验



上图:研究人员展示项目所消耗的芯片。


可以毫不夸张地说,这是一个工程浩大的科学项目:从3只猕猴的左半脑中,获取161张厚度10微米的切片,从中采样超过4000万个脑皮层细胞,数据量超过300T(1T相当于1000G)。

其实早在2017年,脑智卓越中心就开始建立猕猴的脑图谱研究课题,但因为技术限制一直无法研究大尺寸脑切片的细胞空间图谱,无法完成猕猴脑细胞全脑分布图谱的绘制。“过去的实验室技术很难同时获得整个猴脑单细胞分辨率下的空间转录组。”李澄宇说,他们曾经尝试过传统方法,但一次监测的细胞数太少,效率太低,根本无望完成这个规模宏大的研究项目。

一筹莫展之际,李澄宇从合作者那里听说华大生命科学研究院自主研发了一种超高精度大视场空间转录组测序技术Stereo-seq,可使单细胞分辨率下的空间转录组监测效率提升好几个数量级。“如果说传统空间组技术好比单反相机,仅能看清局部小范围细节,那么这种新技术就像超高精度的对地遥感卫星,既能看到城市全貌,又能看清道路、房屋,甚至车牌等细节。”

同时,华大的另一项自主研发技术“高通量单细胞核转录组测序技术DNBelab C4 snRNA-seq”,可同时对细胞中所有基因进行检测,获取大量基因转录组数据。

李澄宇立刻与蒲慕明院士一起,带领科研骨干两次造访华大研究院。2021年除夕,两个团队深谈之后一拍即合,大年初二就开工准备项目启动,年初三确定项目目标及路线图。

整个实验需要在尽可能短的时间内用一只猕猴全脑样品完成所有实验,以保证样品的质量不会因为时间太长受到影响,为此,一块小小的玻片,成为整个项目突破的关键,实验人员需要让仅有10微米厚的猕猴脑切片无褶皱、无气泡地贴到检测芯片上。

在经历了2轮压力测试,所有人员都被用到极致之后,实验方案最终确定——整脑预估要做130张左右的脑片,每天安排做24张脑片的芯片,分早上和下午两轮(每轮12张),连续做五六天。每一张芯片都需要一个人进行全程的操作,这意味着光芯片操作阶段就需要12个人同时实验,整个实验中切片不能有失误,不能损失样品。

实验开始后,12个操作芯片的人严格按照时间表依次进行自己的实验步骤,任何一个人的实验拖延了时间,都会影响到其他人的操作。在下午的时间段,实验人员要同时进行2张芯片不同阶段的操作,不能混淆。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的李超博士清晰记得,正式实验时,是乍暖还寒的3月,几十个人配合着做实验,每天最后一道程序结束时已是凌晨一两点。几平方米的切片室,七八个人各司其职;显微扫描室里,4台显微镜下一张张图像缓缓展开;楼道里,十几个手拿芯片的实验人员在各实验室穿梭。为了赶时间,大家脚步匆匆,有时还要一路小跑,就连吃饭也只能掐着点匆匆地扒上几口。如此高压力下的实验要连续五六天,为了不出错,事先经过了近一个月的培训、练习和压力测试。“大家都抱着一个信念,熟练一些,再熟练一些,每个操作都要心手相应、游刃有余。”


跨领域的强强联手


3月29日,切片采集顺利完成,为后续的切片图层扫描、图像读取分析奠定了坚实的基础。华大生命科学研究院研究员陈奥说,与以往基于探针的空间组技术一次只能检测几十到几百个基因相比,现在的技术可以把全基因组2万多个基因同时捕捉下来。如此一来,就能够减少切片数。为此,团队依靠161张切片就获得了世界首套猕猴全脑皮层的单细胞及空间转录组数据。

接下来的两年,数据分析团队上场。如何从数据量惊人的切片图像中识别出不同类型的脑细胞?如何为它们分类、找规律?腾讯AI Lab AI医疗首席科学家姚建华说,每张图像都有几十万到上百万个细胞,有些不是很清晰,有些互相重叠,细胞的基因表达有相似的,也有很大区别的。如何在图像中把这些细胞准确地标识出来,对应到测序空间上,并进行细胞归类,腾讯AI实验室凭借多年积累的人工智能技术、图像分析技术、脑基因分析技术,开发出了一套从细胞分割、图像配准到细胞类型注释的AI算法,把细胞精准地“读取”出来并完成归类。仅从第一只猕猴脑的切片中,系统就圈出了超过1亿个细胞并最终将大脑皮质细胞精准分类为264种,从而完成猕猴脑图谱的绘制。

在华大生命科学研究院院长徐讯看来,猕猴脑图谱的这一步突破,与人类基因组草图的诞生有着相似的重要性。“今天发布的成果,只是让我们对猕猴大脑的框架有了初步认识,却是一个崭新的起点。”目前,科研团队已利用所获得数据,创建了猕猴全脑皮层细胞数据库,后续可对不同脑区开展更深入细致的研究,比如脑细胞随时间变化的规律、大脑演化机制、脑相关疾病等,为后续脑科学研究源源不断开创新机遇。海南大学校长骆清铭院士评价这项研究为进一步理解脑结构和功能提供了重要的基础数据库,将有助于理解脑细胞的构成以及脑疾病发生发展的原因,是具有里程碑意义的进展。

“这么多顶尖团队的加入,给了我们底气,敢于去做更难的事情。”蒲慕明说,比目前所获成果更值得一提的是,项目在国内开创了脑科学基础研究“有组织的科研”的先河。

“过去,脑科学研究长期局限于单个或几个课题组的单打独斗,这次我们探索了一条多个高水平团队联合攻关的道路,这对我国在脑科学研究上推行大科学项目,具有重要意义。”蒲慕明透露,接下去团队将把切片范围从左脑拓展到右脑,争取在2035年完成猕猴全脑介观图谱,在2050年完成人类全脑介观图谱的研究。

研究团队还将继续在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续攻关,推动我国在这些领域持续产生原创性、引领性成果。记者|陈冰