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中国科(ke)大/中科(ke)院(yuan)深圳先进院(yuan)解(jie)析猕(mi)猴(hou)大脑(nao)微米(mi)分辨(bian)率三维结构
来源:科研部 发布时间:2020-07-27 浏览次数:10

近日,中(zhong)(zhong)(zhong)国(guo)(guo)科学(xue)(xue)技(ji)(ji)术大学(xue)(xue)合(he)肥微尺度物质科学(xue)(xue)国(guo)(guo)家研(yan)究中(zhong)(zhong)(zhong)心与生(sheng)命(ming)科学(xue)(xue)学(xue)(xue)院(yuan)(yuan)毕国(guo)(guo)强(qiang)教授和(he)刘北明(ming)教授率领中(zhong)(zhong)(zhong)科大、中(zhong)(zhong)(zhong)科院(yuan)(yuan)深圳(zhen)先进技(ji)(ji)术研(yan)究院(yuan)(yuan)和(he)合(he)肥综合(he)性国(guo)(guo)家科学(xue)(xue)中(zhong)(zhong)(zhong)心人工(gong)智能(neng)研(yan)究院(yuan)(yuan)团队通(tong)(tong)过自主研(yan)发的高通(tong)(tong)量三维(wei)荧光成(cheng)(cheng)像VISoR技(ji)(ji)术和(he)灵(ling)长(zhang)类脑图谱(pu)绘制SMART流(liu)程,并与中(zhong)(zhong)(zhong)科院(yuan)(yuan)昆明(ming)动物所(suo)胡新天团队、中(zhong)(zhong)(zhong)科院(yuan)(yuan)深圳(zhen)先进院(yuan)(yuan)徐富强(qiang)团队、以及美(mei)国(guo)(guo)麻省理工(gong)学(xue)(xue)院(yuan)(yuan)、南加州(zhou)大学(xue)(xue)、加州(zhou)大学(xue)(xue)洛杉矶分校等单位科学(xue)(xue)家合(he)作,实(shi)现了对猕(mi)猴大脑的微米(mi)级分辨(bian)率三维(wei)解析(xi)。相关研(yan)究成(cheng)(cheng)果北京时间7月(yue)26日23时以High-throughput mapping of a whole rhesus monkey brain at micrometer resolution为题发表于《自然·生物(wu)技术》(NatureBiotechnology)。

大脑(nao)(nao)功能是(shi)由其近千(qian)亿(yi)个(ge)神(shen)经(jing)细胞(bao),以(yi)(yi)及(ji)细胞(bao)之间纤(xian)细而复杂的(de)连(lian)(lian)接来实(shi)现的(de)。要深入理解大脑(nao)(nao)的(de)运转机制(zhi),需要将这(zhei)(zhei)些精密连(lian)(lian)接结构(gou)解析(xi)出(chu)来,就(jiu)像(xiang)给大脑(nao)(nao)绘(hui)制(zhi)一幅三(san)(san)维高清(qing)地图(tu)。脑(nao)(nao)图(tu)谱解析(xi)是(shi)神(shen)经(jing)科学前沿(yan)研究领域,而对灵(ling)长类动物的(de)脑(nao)(nao)图(tu)谱解析(xi)也是(shi)中国脑(nao)(nao)计划的(de)一个(ge)重点研究方向。神(shen)经(jing)元(yuan)通过轴(zhou)突纤(xian)维输送信息,如(ru)果把这(zhei)(zhei)些纤(xian)维类比为道路(lu)和河(he)流(liu),那么大脑(nao)(nao)的(de)尺寸就(jiu)相当于(yu)整个(ge)地球的(de)大小,绘(hui)制(zhi)脑(nao)(nao)图(tu)谱就(jiu)像(xiang)要把地面上的(de)大小道路(lu)以(yi)(yi)及(ji)河(he)流(liu)的(de)大小支流(liu)都测绘(hui)出(chu)来。而且因(yin)为大脑(nao)(nao)是(shi)一个(ge)三(san)(san)维结构(gou),它的(de)内部每个(ge)地方都有跟地球表面同样错综复杂的(de)道路(lu)河(he)流(liu)。绘(hui)制(zhi)大脑(nao)(nao)图(tu)谱就(jiu)是(shi)要把这(zhei)(zhei)样一个(ge)复杂的(de)三(san)(san)维结构(gou)进行精细分解和描(miao)绘(hui)。

目(mu)前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)脑(nao)(nao)图(tu)(tu)谱研(yan)究主要集中(zhong)于(yu)(yu)小鼠,国(guo)(guo)际通用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)成像(xiang)(xiang)(xiang)技术对其进行(xing)微米(mi)分辨(bian)率全脑(nao)(nao)成像(xiang)(xiang)(xiang)通常需要数(shu)天的(de)(de)(de)(de)(de)时间(jian),而猕(mi)猴(hou)(hou)脑(nao)(nao)体积(ji)为鼠脑(nao)(nao)的(de)(de)(de)(de)(de)200倍以上,要在(zai)较短时间(jian)内完成全脑(nao)(nao)成像(xiang)(xiang)(xiang)是(shi)一项(xiang)(xiang)极大的(de)(de)(de)(de)(de)挑(tiao)战(zhan)。为应对这一挑(tiao)战(zhan),团队此前(qian)在(zai)中(zhong)科(ke)院“脑(nao)(nao)功能联接图(tu)(tu)谱”战(zhan)略性先导专项(xiang)(xiang)和(he)科(ke)研(yan)仪器研(yan)制(zhi)项(xiang)(xiang)目(mu)、以及国(guo)(guo)家(jia)自然科(ke)学(xue)(xue)基(ji)(ji)金(jin)“情感与(yu)记忆的(de)(de)(de)(de)(de)神(shen)经(jing)环路基(ji)(ji)础(chu)”重大研(yan)究计划(hua)项(xiang)(xiang)目(mu)的(de)(de)(de)(de)(de)支持(chi)下,经(jing)过数(shu)年的(de)(de)(de)(de)(de)攻关,研(yan)发了VISoR高速三维荧光成像(xiang)(xiang)(xiang)技术(工作于(yu)(yu)2019年发表于(yu)(yu)《国(guo)(guo)家(jia)科(ke)学(xue)(xue)评论》)。这一技术通过斜(xie)截(jie)面扫描照明(ming)与(yu)同步成像(xiang)(xiang)(xiang)实(shi)现了在(zai)样品(pin)连续(xu)运动时进行(xing)无模糊的(de)(de)(de)(de)(de)图(tu)(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)采(cai)集,消除了传统大样品(pin)成像(xiang)(xiang)(xiang)需要在(zai)不同的(de)(de)(de)(de)(de)小视(shi)野(ye)切换(huan)、停(ting)顿所带来的(de)(de)(de)(de)(de)时间(jian)损失(shi),数(shu)据(ju)采(cai)集速度(du)比(bi)当前(qian)通用(yong)于(yu)(yu)小鼠脑(nao)(nao)图(tu)(tu)谱绘制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)几种三维光学(xue)(xue)成像(xiang)(xiang)(xiang)技术提升数(shu)十倍,使得猴(hou)(hou)脑(nao)(nao)图(tu)(tu)谱解析成为可能。

除了(le)成(cheng)像(xiang)通量(liang)的(de)(de)(de)挑战,对(dui)(dui)猕(mi)(mi)猴(hou)脑(nao)(nao)进行(xing)(xing)高(gao)分辨全脑(nao)(nao)成(cheng)像(xiang)还面(mian)临(lin)沟回结构复杂(za)、组织透明(ming)度(du)差等多方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)困难。团(tuan)队采取先对(dui)(dui)离体大(da)脑(nao)(nao)进行(xing)(xing)包埋切(qie)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)方(fang)式,使得(de)溶(rong)液渗透效率仅依赖于切(qie)片(pian)(pian)厚(hou)度(du),而不(bu)受其大(da)小的(de)(de)(de)影(ying)响(xiang),并(bing)且发(fa)展了(le)高(gao)折射(she)率的(de)(de)(de)PuClear组织透明(ming)化方(fang)法,对(dui)(dui)脑(nao)(nao)片(pian)(pian)的(de)(de)(de)灰(hui)质与白(bai)质不(bu)同部(bu)分、不(bu)同深(shen)度(du)达到均匀透明(ming)。然后通过(guo)改进的(de)(de)(de)VISoR2系统,最(zui)终(zhong)对(dui)(dui)猕(mi)(mi)猴(hou)全脑(nao)(nao)样(yang)品在100小时内完成(cheng)1×1×2.5微米(mi)三(san)维分辨率的(de)(de)(de)图(tu)像(xiang)采集,项目中两只猕(mi)(mi)猴(hou)大(da)脑(nao)(nao)图(tu)像(xiang)原(yuan)始数(shu)据量(liang)超过(guo)了(le)1PB。由于数(shu)据体积(ji)庞大(da),团(tuan)队开发(fa)了(le)自(zi)动的(de)(de)(de)三(san)维图(tu)像(xiang)拼(pin)接技(ji)术(shu)和渐进式的(de)(de)(de)半自(zi)动追踪技(ji)术(shu),实现了(le)猕(mi)(mi)猴(hou)大(da)脑(nao)(nao)的(de)(de)(de)三(san)维图(tu)像(xiang)重建(jian)和神经元轴突纤(xian)维的(de)(de)(de)长距离追踪,并(bing)在此基(ji)础(chu)上(shang)发(fa)现了(le)前所未知的(de)(de)(de)猕(mi)(mi)猴(hou)轴突纤(xian)维投射(she)特性及(ji)其在大(da)脑(nao)(nao)皮质沟回处转折延(yan)伸(shen)的(de)(de)(de)多种(zhong)路径形态。

VISoR2显微镜工程简图

猕猴丘脑神经元轴突投(tou)射(she)与追踪

VISoR技术作为当(dang)前世(shi)界最快(kuai)的(de)(de)大尺度三维(wei)组织成(cheng)像(xiang)方(fang)法,可(ke)以对各种模型动物大脑(nao)进行高通量(liang)、高精(jing)度的(de)(de)定量(liang)解析,并可(ke)扩展至(zhi)其它组织器(qi)官,在大规模药(yao)物筛选、快(kuai)速病理(li)诊断,以及更大型生物样品成(cheng)像(xiang)等(deng)领(ling)域都有广阔的(de)(de)应用前景。这项(xiang)技术产生的(de)(de)超大规模数据与人(ren)工智能技术的(de)(de)结(jie)合(he),将有望帮助(zhu)理(li)解人(ren)类(lei)大脑(nao)和身体器(qi)官的(de)(de)精(jing)细结(jie)构及其在疾病中的(de)(de)变化规律,加速医疗诊断和药(yao)物研发,促进人(ren)类(lei)健康(kang)。

合肥微尺度物(wu)质科(ke)学国家(jia)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)中(zhong)心博士(shi)后、现任中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)深圳(zhen)先(xian)进技术(shu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)(yuan)(yuan)副(fu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)徐放(fang),生命科(ke)学学院(yuan)(yuan)(yuan)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)生沈燕、丁露锋(feng)、杨朝宇是(shi)论(lun)文(wen)第一作者。论(lun)文(wen)的共同作者还包(bao)括(kuo)合肥综合性国家(jia)科(ke)学中(zhong)心人工智能研(yan)(yan)(yan)究(jiu)院(yuan)(yuan)(yuan)王浩副(fu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)、合肥微尺度物(wu)质科(ke)学国家(jia)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)中(zhong)心祝清源高级工程师、徐程副(fu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)、中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)昆明动(dong)物(wu)所胡新天研(yan)(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)、中(zhong)科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)深圳(zhen)先(xian)进院(yuan)(yuan)(yuan)徐富强(qiang)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)员(yuan)、麻省理工学院(yuan)(yuan)(yuan)RobertDesimone教授(shou)、加州大学(xue)洛杉矶分校董红卫教授(shou)、南加州大学(xue)张砺教授(shou)等(deng)。毕国强教授(shou)和刘北明教授(shou)是论文(wen)的通(tong)讯作者。

研究得(de)到中国科学院战略性(xing)先导专项(xiang)、国家自然科学基(ji)金、广东省(sheng)重点(dian)领域研发(fa)计划、深圳市脑(nao)解析与脑(nao)模拟重大科技基(ji)础设施、深港(gang)脑(nao)科学创新研究院等项(xiang)目支持(chi)。

论文链(lian)接(jie):

(合肥微尺度物质科学(xue)国家(jia)研究中心、生命科学(xue)学(xue)院、科研部)


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