北京
基于光学成像，首次实现单神经元“功能-结构-分子”三模态解析。脑智卓越中心供图
神经元三模态研究的部分团队成员，从左到右依次为王凯、徐圣进、赵钰琛、刘星兰。脑智卓越中心供图
本报讯（中青报·中青网记者 张渺）大脑是一个极其精密的信息处理系统，神经元则是其基本计算单元。要理解大脑，不仅要知道神经元“在做什么”，还要知道它“长什么样、怎么连接”以及“由什么构成”。然而，这三类信息长期来自不同实验体系，难以整合。
如今，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称“脑智卓越中心”）的研究团队成功突破这一瓶颈。近日，相关研究成果在国际学术期刊《细胞》在线发表。该研究由脑智卓越中心王凯研究团队和徐圣进研究团队联合攻关完成。
脑智卓越中心研究员王凯提到，当前脑科学研究的共识是，大量神经元的集群活动是大脑执行其功能的物质基础。一个非常重要的问题是，神经元的分子特征和它的结构连接是如何共同塑造它的功能的。
“理解这个问题，可以帮助我们理解大脑如何通过特化神经元的结构、分子构成，来构筑执行功能的大脑网络。”王凯对中青报·中青网记者说。
为此，研究团队自主研发了基于成像的多模态解析平台IMC，首次实现了对同一神经元在体钙活动、全脑投射形态与3D原位基因表达谱的高精度整合解析。该工作突破了长期存在的单神经元三模态数据获取和跨尺度配准的技术瓶颈，为复杂脑功能解析和脑疾病机制研究提供了重要技术平台。
“实现三模态在同一个神经元上的联合解析，是我们研究的主要技术目标。实现这个目标面临很多技术困难，包括技术兼容问题、如何能在不同模态中追踪到同一个细胞的问题等。为了解决这些问题，我们创立了兼容的多模态解析技术平台。”王凯说。
据介绍，为建立IMC平台，团队打通了从活体功能记录、全脑形态重构到3D原位分子检测的技术链路。而IMC平台的建立，离不开两项由团队自主研发并已申请发明专利的底层技术，即多平面并行化双光子显微镜和双色编码膨胀荧光原位杂交技术。研究团队依托IMC平台，以小鼠初级视觉皮层为切入点，获得207个具有在体功能活动和形态信息的神经元，进一步获得141个神经元的完整三模态数据集，包括皮层内投射神经元和锥体束神经元。
“我们的解析平台本身可以观测分子、结构、功能三个层面的性质，既适用于正常生理状态，也适用于病理状态。以帕金森病为例，在分子层面发生变化后，会导致结构上多巴胺神经元死亡或凋亡，微环境随之改变，功能反应也出现异常，最终行为输出也跟着变化。我们的工具可以在这三个层面进行系统观测，完全可以应用到疾病病理机制的研究中。”脑智卓越中心研究员徐圣进说。
据悉，本研究产生的单神经元多模态数据已开放下载，研究人员可通过专门的数据平台浏览和下载。该研究建立的IMC平台为单神经元多模态研究提供了新的范式。与传统方法相比，它使研究者能够从真实同源数据出发，分析分子身份、形态结构和功能响应之间的关系。未来，该平台可扩展到更多脑区、细胞类型和行为范式，用于解析任务相关计算、环路结构和分子身份之间的关系，也可用于研究脑疾病中特定神经元亚型的功能异常、联接改变和分子状态变化。
“后续的脑图谱计划或神经解析技术，可以通过该平台采集的真实同源数据作为桥梁，把原来的数据库进行整合，将一个个‘数据孤岛’连通起来。”徐圣进说。
来源：中国青年报客户端
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