大脑探索新突破！中国科学家成功绘制高精度“脑地图”

在人类探索自然的征程中，有两个终极问题始终吸引着我们：一个是遥望星空，宇宙是如何运作的；另一个是向内审视，意识是如何产生的？如果说天文望远镜延伸了人类的视野，那么脑科学图谱则照亮了人类认知的“内在宇宙”。2025年7月，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心联合国内外30多家科研机构，集中发布了十项脑图谱研究的重大成果，标志着我们在理解大脑的道路上迈出了关键一步。

大脑：人类科学的“终极挑战”

大脑是自然界最精妙的“造物”。就在你阅读这句话的瞬间，你的大脑正有数百亿个神经元在高效协作，通过上万亿个连接传递信息，处理视觉信号、理解文字含义、调用记忆、产生情感反应。这一切都在一个仅1.4公斤重的器官中同时进行，其复杂程度远超过我们已知的任何系统。

长期以来，科学家们一直梦想着绘制一份完整的“大脑地图”——不仅要标注出每个神经元的位置，还要描绘它们之间的连接网络，更要理解这些连接如何产生思维、情感和意识。这个梦想可以追溯到一百多年前，现代神经科学之父、西班牙科学家拉蒙·卡哈尔首次在显微镜下观察到神经元结构并提出“神经元学说”，开创了现代神经科学。

然而，真正解析大脑却困难重重。人脑包含约860亿个神经元，每个又可形成上千个连接。绘制整个网络好比记录地球上所有人的社交关系。更困难的是，大脑不是静态的，而是始终处于动态变化中——神经连接会根据经验而加强或减弱，新的连接会形成，旧的连接会消失。

介观尺度：连接微观与宏观的桥梁

这次中国科学家的突破聚焦在“介观”尺度。什么是介观？我们可以用一个比喻来理解：如果把大脑看作一座城市，微观尺度是看清一砖一瓦，宏观尺度是卫星俯瞰全城，而介观尺度则如同走在街道上观察——既能看清建筑物细节，又能理解街区的布局和道路的连接。

在脑科学中，介观尺度意味着能够同时观察单个神经元和它们形成的网络。这个尺度特别重要，因为大脑的功能不是由单个神经元决定的，而是由神经元网络的活动模式决定的。就像交响乐的魅力不在单一音符，而在于旋律与和声的配合。

中国科学家开发的一系列新技术，让介观尺度的观察成为可能。其中最引人注目的是超高速VISoR技术。这项技术能够在40小时内完成成年小鼠全身的三维成像，分辨率达到微米级别。这意味着科学家不仅能看清每一个神经元，还能追踪它们的轴突和树突如何延伸、分支、与其他神经元建立连接。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

更令人惊叹的是，研究团队成功地将这项技术应用到了猕猴大脑。猕猴是与人类亲缘关系最近的实验动物之一，它们的大脑结构与人脑非常相似，尽管体积小得多，但仍比小鼠大脑大数百倍，要对其进行全脑成像是一个巨大的技术挑战。研究团队开发的LV-fMOST技术首次实现了猕猴全脑的亚微米级三维成像，堪称技术上的重大飞跃。

空间转录组：读懂细胞的“身份证”

除了看清神经元的形态和连接，科学家还需要知道每个神经元的“身份”——它是什么类型的神经元？表达哪些基因？执行什么功能？这就需要用到另一项革命性技术：空间转录组。

传统的基因测序技术需要将组织分解成单个细胞，这样虽然能够了解每个细胞的基因表达情况，却丢失了关键的空间位置数据。而空间转录组技术能够在保持组织完整的情况下，检测每个位置的基因表达，就像给每个细胞贴上了带有详细信息的“身份证”。

华大生命科学研究院开发的Stereo-seq技术在这方面取得了重要突破。这项技术能够以接近单细胞的分辨率检测整个组织切片的基因表达，生成的数据就像一张超高清的“分子地图”，显示不同类型的细胞在大脑中的分布。

通过这项技术，研究团队发现了许多有趣的现象。比如，GABA能神经元在从乌龟到人类的多个物种中，都扮演着抑制性调节的角色，像是大脑活动的“刹车系统”。但同时，不同物种也有各自的特色。例如鸟类小脑中存在特殊的浦肯野细胞亚型，这可能与它们高超的飞行能力有关；灵长类大脑中则出现了更多样化的中间神经元类型，可能与复杂的认知功能相关。

意识的物质基础：屏状核研究的新发现

在所有的脑区中，“屏状核”可能是最神秘的一个。这个薄片状的结构深藏在大脑内部，长期以来被一些科学家认为可能是意识产生的关键部位。已故的DNA双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克在晚年就专注于研究屏状核与意识的关系。

这次的研究为理解屏状核的功能提供了重要线索。通过精密的神经追踪技术，研究团队发现猕猴的屏状核具有极其广泛的连接——它几乎与大脑皮层的所有区域都有联系，是名副其实的“连接枢纽”。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

更有意思的是，屏状核并不是均一的结构，而是分为四个不同的亚区。每个亚区有特定的连接模式和细胞类型。前部的亚区主要与感觉皮层连接，后部的亚区则与高级认知区域联系更密切。这种精细的结构可能使屏状核能够整合来自大脑各个部分的信息，产生统一的意识体验。

研究还发现，灵长类的屏状核比其他哺乳动物更加发达，包含了一些灵长类特有的细胞类型。这可能解释了为什么灵长类，特别是人类，具有更丰富的意识体验和自我认知能力。

高效与精简：灵长类大脑的智慧设计

前额叶皮层被认为是大脑的“CEO”，负责执行控制、决策、规划等高级认知功能。人类的前额叶皮层特别发达，占大脑皮层总面积的近30%。理解前额叶皮层的组织原则，对于理解人类智能的本质至关重要。

研究团队使用自主开发的Gapr神经元追踪系统，重构了2231个猕猴前额叶皮层投射神经元的完整形态。这项工作的工作量惊人——每个神经元的重构都需要追踪其从胞体发出的所有轴突分支，有些轴突可以延伸到几厘米之外的脑区。

分析结果揭示了一个意外的发现：与传统观点不同，灵长类大脑的连接并不是随着脑容量增大而简单增加的。相反，猕猴前额叶皮层展现出“精简高效”的连接模式。神经元的连接更加精确和有选择性，形成了模块化的信息处理单元。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

这就像是从普通公路网升级到高速公路系统——虽然总里程可能没有显著增加，但通过优化路线设计，信息传递的效率大大提高。这种组织原则可能是灵长类能够进行复杂认知活动的关键。

从演化看大脑：跨物种比较研究

要真正理解人脑的独特之处，需要将其放在演化的背景下考察。这次的研究覆盖了从爬行类到灵长类的多个关键物种，试图描绘大脑演化的轨迹。

研究团队比较了乌龟、鸟类、小鼠、猕猴等物种的端脑和小脑细胞图谱。结果发现，大脑的演化并不是简单的“扩大”过程，而是在保守与创新之间的平衡。

一方面，某些基本的细胞类型和回路模式在演化中高度保守。比如，负责运动控制的基本回路在所有脊椎动物中都很相似；处理基本感觉信息的机制也大同小异。这些保守的元素构成了大脑功能的基础框架。

另一方面，不同的演化分支发展出了各自的特色。鸟类虽然大脑体积不大，但发展出了高度特化的脑区来支持飞行和鸣唱；哺乳动物则发展出了发达的新皮层，支持更复杂的学习和记忆；灵长类更是在此基础上发展出了前所未有的认知能力。

特别值得注意的是，研究发现灵长类大脑的一个重要特征：轴突末梢的覆盖精度显著高于小鼠。这意味着灵长类神经元能够更精确地选择连接目标，形成更特异的信息处理通路。这种精确性可能是复杂认知功能的基础。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

疾病研究的新视角：阿尔茨海默病和脑出血

脑图谱研究不仅深化了对正常脑功能的认知，也为疾病研究提供了全新的视角。这次的成果中有两项重要的疾病相关研究，分别聚焦阿尔茨海默病和脑出血。

阿尔茨海默病是最常见的神经退行性疾病，影响全球数千万老年人。尽管科学家已经知道这种疾病与β-淀粉样蛋白和tau蛋白的异常积累有关，但对疾病的具体机制仍不完全清楚。

研究团队首次绘制了阿尔茨海默病患者海马区的空间转录组图谱。海马是负责记忆形成的关键脑区，也是阿尔茨海默病最早受影响的区域之一。通过对比正常人和患者的海马组织，研究发现了一些以前未被注意的病理变化。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

最引人注目的发现是，某些类型的小胶质细胞和星形胶质细胞在海马伞区域高度富集。这些细胞原本是大脑的“清洁工”和“维护工”，负责清除代谢废物和维持神经元健康。但在疾病状态下，它们似乎“失控”了，不仅没能有效清除有害蛋白，反而可能通过过度的炎症反应加重了神经损伤。

另一项研究关注“脑出血”这一常见的脑血管疾病。脑出血后的恢复是一个复杂的过程，涉及止血、清除血肿、修复损伤等多个阶段。研究团队绘制了小鼠脑出血后从超急性期到恢复期的时空动态分子图谱，详细描述了不同阶段的分子和细胞变化。

研究发现，脑出血后的修复过程就像一场训练有素的紧急救援：在出血早期，“急救队”（主要是某些类型的免疫细胞）迅速赶到现场，试图快速控制损伤；随后，“清洁小组”（小胶质细胞）上场，负责清理血液和坏死组织；最后，“修复工程队”（星形胶质细胞等）参与组织修复、形成疤痕，保护受损区域。理解这个过程的每个环节，将帮助科学家找到更精准的方法，推动脑损伤后的功能恢复。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

技术创新驱动科学突破

这次成果的取得，很大程度上得益于中国科学家在脑成像技术方面的创新。除了前面提到的VISoR和空间转录组技术，研究团队还开发了多项其他创新技术。

ARCHmap技术实现了全身透明化，能够在不破坏组织结构的情况下，让整个小鼠身体变得透明，从而可以观察神经纤维如何从大脑延伸到全身各处。这项技术首次让科学家能够完整地观察周围神经系统与中枢神经系统的连接。

光成像还不够，处理数据更是巨大挑战。在数据分析方面，研究团队开发了多个人工智能辅助的分析系统。面对每个样本产生的TB级数据，传统的人工分析方法已经无法胜任。新开发的AI系统能够自动识别神经元、追踪轴突、分类细胞类型，大大提高了分析效率。

这些技术创新不是孤立的，而是形成了一个完整的技术体系。从样本制备到成像，从数据采集到分析，每个环节都有创新，共同推动了脑图谱研究的突破。

国际合作与大科学计划

面对人脑这样的复杂系统，任何单一团队或国家都难以独立研究。这次成果正是国际科研合作的典范。参与研究的机构包括中国科学院的多个研究所、国内顶尖大学、以及来自法国、瑞典、英国等国的科研机构。超过300名科学家参与其中，形成了跨学科、跨国界的研究团队。

这种大规模合作是“全脑介观神经联接图谱”国际大科学计划的预演。这个计划的目标是绘制灵长类乃至人类的完整脑图谱，需要全球科学家的共同努力。中国科学家正在推动建立“国际灵长类介观脑图谱联盟”，希望整合全球的技术、平台、人才和数据资源。

大科学计划的意义，不仅在于集中资源攻克科学难题，更在改变传统科研“单打独斗”的模式，转向协同高效的“集团作战”。通过标准化的技术流程、统一的数据格式、开放的共享机制，科学家们能更高效地推进脑科学研究。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

从基础研究到应用转化

虽然脑图谱研究属于基础科学，但其应用前景广阔。理解大脑的工作原理，不仅有助于治疗神经系统疾病，还可能推动人工智能的发展。

在医学应用方面，精确的脑图谱可以帮助医生更准确地诊断疾病、制定治疗方案。比如，在进行脑部手术时，详细的神经连接图谱可以帮助外科医生避免损伤重要的神经通路；在药物开发中，了解特定细胞类型的分布和功能，可以帮助设计更精准的靶向药物。

在人工智能领域，大脑的组织原则可能启发新的算法设计。目前的人工神经网络虽然在某些任务上超越了人类，但在能效、泛化能力、创造性等方面仍远不如人脑。理解大脑如何以极低的能耗处理复杂信息，可能带来人工智能的革命性突破。

图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

未来之路：挑战与机遇

尽管进展显著，但绘制完整的人脑图谱仍然是一个巨大的挑战。人脑的复杂性远超目前的技术能力，需要在多个方面实现突破。

首先是技术挑战。现有的成像技术虽然已经很先进，但要对人脑进行全脑成像仍然困难重重。人脑体积是猕猴大脑的十倍以上，包含的神经元数量更是多出几个数量级。需要开发更快速、更高分辨率的成像技术。

其次是数据挑战。一个完整的人脑图谱将产生艾字节（EB）级别的数据，如何存储、传输、分析这些数据是一个巨大的挑战。需要开发新的数据压缩、存储和分析技术。

第三是理论挑战。即使我们能够绘制出完整的脑图谱，如何从这些结构信息推断功能仍然是一个未解之谜。需要发展新的理论框架，连接结构与功能、连接神经活动与认知行为。

但挑战与机遇并存。随着技术的快速发展，许多以前不可能的事情正在变为现实。量子计算可能为处理海量脑数据提供新的可能；新型成像技术如光片显微镜、自适应光学等正在快速发展；人工智能的进步也在加速脑数据的分析。

更重要的是，全球科学家正在形成共识，认识到合作的重要性。通过国际合作，共享技术、数据和知识，人类终将解开大脑的奥秘。

认识自我的新纪元

大脑，被有些科学家称之为自然界最后的前沿，也是人类认识自我的终极挑战。这次中国科学家联合发布的系列成果，不仅是科学上的突破，更代表着人类在认识自我道路上的重要里程碑。

从啮齿类到灵长类，从结构到功能，从正常到疾病，这些研究为我们展现了大脑的多个维度。虽然距离完全理解大脑还有很长的路要走，但每一步进展都让我们更接近真相。

当我们最终能够理解大脑如何工作，不仅能够征服阿尔茨海默病、帕金森病等神经系统疾病，还可能回答一些最深刻的哲学问题：意识是什么？自由意志存在吗？是什么让我们成为人类？

正如探索宇宙让我们理解了自己在宇宙中的位置，探索大脑将让我们理解意识的本质。这不仅是科学的进步，更是人类文明的升华。在这个新纪元的开端，中国科学家正在为人类的这一伟大事业贡献自己的智慧和力量。

出品：科普中国

作者：夏至（生物学博士）

监制：中国科普博览