文｜經(jīng)緯創(chuàng)投
人腦是人體最精密最復(fù)雜的器官。人類的大腦有860億個(gè)神經(jīng)元，而每個(gè)神經(jīng)元平均與7000個(gè)神經(jīng)突觸連接。如此算來，大腦大概有600萬億神經(jīng)突觸連接。想要繪制一幅大腦的3D全景圖，難度不亞于精準(zhǔn)畫出銀河系中的所有星星。
但是，無論是科學(xué)家還是醫(yī)生，想要理解人腦功能、腦損傷病因和腦疾病影響都需要詳細(xì)繪制腦細(xì)胞的解剖和分子結(jié)構(gòu)及其全腦連接圖譜，但目前缺乏能捕獲細(xì)胞多尺度、多組學(xué)特性及其全腦連接的技術(shù)，一直是業(yè)界需要攻克的難題。
不久前，這個(gè)諸多神經(jīng)科學(xué)家夢(mèng)寐以求的全景圖終于來了?！禨cience》雜志發(fā)表了一項(xiàng)研究，美國(guó)麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)公布了一個(gè)完全集成的可擴(kuò)展技術(shù)平臺(tái)，通過同時(shí)繪制來自同一個(gè)完整人腦的細(xì)胞的全腦結(jié)構(gòu)和高維特征，包括空間、分子、形態(tài)、微環(huán)境、納米和連接信息等特征，最后以亞細(xì)胞分辨率，對(duì)兩個(gè)捐贈(zèng)者（一個(gè)患有阿爾茨海默病，另一個(gè)沒有）的大腦半球，實(shí)現(xiàn)了完整三維細(xì)胞成像。
什么是亞細(xì)胞分辨率？亞細(xì)胞是比細(xì)胞結(jié)構(gòu)更細(xì)化的結(jié)構(gòu)，一般是電子顯微鏡（EMs）下才可見的細(xì)胞結(jié)構(gòu)如線粒體，中心體，高爾基體，細(xì)胞壁上的紋孔等。亞細(xì)胞分辨率意味著，這個(gè)平臺(tái)的分辨率已經(jīng)精確到可以看清大腦中的單個(gè)突觸。
點(diǎn)看一張大腦全景圖，人體中最復(fù)雜的事物仿佛變成了一個(gè)璀璨星河。這篇文章將深入拆解繪制高精度“大腦地圖”具體分幾步？除了麻省理工團(tuán)隊(duì)，谷歌震撼發(fā)布的納米級(jí)人腦圖譜，將如何加速人類大腦研究進(jìn)度？對(duì)人類大腦重建的研究，有何意義？以下，Enjoy：
1 切片、處理、成像，人腦繪圖三步走
要深入了解一顆完整的人腦，并清楚知道其復(fù)雜有序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是件十分困難的事情。為此，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種整合平臺(tái)，能夠同時(shí)獲取人腦細(xì)胞的空間、分子、形態(tài)和連接信息。這項(xiàng)技術(shù)包括三個(gè)核心部分：高精度切片的振動(dòng)切片機(jī)（MEGAtome）、用于多重多尺度成像的高分子水凝膠組織處理技術(shù)（mELAST）和三維連接性重建的計(jì)算管道（UNSLICE）。
平臺(tái)的工作流程包括切片、處理、標(biāo)記、成像和計(jì)算拼接人類大腦組織。在磁共振(MR)成像之后，使用MEGAtome將人腦半球切成毫米厚的塊。這些塊經(jīng)過處理并轉(zhuǎn)化為mELAST組織水凝膠。堅(jiān)韌、彈性且可調(diào)節(jié)大小的mELAST組織水凝膠，經(jīng)過多輪標(biāo)記和多尺度成像，以提取高維特征。從切割的人腦組織獲得的圖像使用UNSLICE管道進(jìn)行計(jì)算性重整，以實(shí)現(xiàn)多級(jí)連接映射。
1. MEGAtome：高精度切片技術(shù)
MEGAtome是一種將完整的人腦半球切成細(xì)致的裝置，不會(huì)對(duì)其造成任何損害。
傳統(tǒng)的振動(dòng)切片機(jī)（如徠卡VT1200）僅限于小樣本，并且經(jīng)常導(dǎo)致組織損傷。此外，由于其刀片振動(dòng)速度有限和較大的刀片面外振動(dòng)，切割表面常常遭受磨損、撕裂和變形。
為了解決這些限制，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高度通用的振動(dòng)刀——MEGAtome（機(jī)械增強(qiáng)的大尺寸無磨損振動(dòng)刀）。它能夠?qū)Ω鞣N生物樣本進(jìn)行超精密切片，從小器官到完整的人類大腦半球和大型動(dòng)物器官陣列。同時(shí)，MEGAtome能夠?qū)崿F(xiàn)高頻刀片振動(dòng)，振幅增加，面外振動(dòng)位移低，而這些均得益于多自由度（multi - degree of）系統(tǒng)對(duì)刀片振動(dòng)控制的優(yōu)化。
為了最小化平面外寄生葉片振動(dòng)，研究人員采用柔性系列設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的平面外剛度。實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員通過切片大的人小腦組織（36 mm x 45 mm x 20 mm）并測(cè)量其表面輪廓，發(fā)現(xiàn)MEGAtome產(chǎn)生了具有出色表面均勻性的完整切片，保留了精細(xì)的組織架構(gòu)。最后，MEGAtome成功地將整個(gè)人類大腦半球切片，并在8小時(shí)內(nèi)生成40個(gè)連續(xù)的4毫米厚的板。
值得注意的是，MEGAtome不適合切片硬樣品，如骨、石蠟包埋或冷凍樣品，因?yàn)樗鼈兊母邩悠纷枇?huì)破壞刀片振動(dòng)精度。
2.mELAST：高分子水凝膠組織處理
大腦完成切片后，化學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的mELAST的組織凝膠技術(shù)，可以將組織樣本轉(zhuǎn)化為水凝膠，可以使大腦切片變得堅(jiān)不可摧，讓每個(gè)切片清晰、靈活、耐用和擴(kuò)展，同時(shí)保留內(nèi)源性生物分子和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并能夠進(jìn)行重復(fù)的標(biāo)記。
這種水凝膠是彈性的、熱化學(xué)穩(wěn)定的，并且能夠可逆地?cái)U(kuò)展。mELAST處理后的組織水凝膠能夠在水或磷酸鹽緩沖液（PBS）中實(shí)現(xiàn)線性擴(kuò)展，論文中提到實(shí)現(xiàn)了4.5倍的線性擴(kuò)展，同時(shí)保持組織的彈性、完整性和耐久性。
同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中，mELAST成功地保留了蛋白質(zhì)表位，并且在周期性壓縮或組織膨脹期間沒有結(jié)構(gòu)或分子信息丟失。此外，mELAST技術(shù)還允許使用單一實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)厚組織進(jìn)行多輪染色，每次染色和成像后，組織可以完全去除抗體并重新染色，這使得使用相同條件對(duì)不同抗體進(jìn)行統(tǒng)一染色成為可能，無需額外優(yōu)化。
因此，mELAST處理后的組織可以進(jìn)行多尺度成像，從宏觀到微觀層面捕獲不同的生物學(xué)信息。這包括大腦的廣泛結(jié)構(gòu)、細(xì)胞和亞細(xì)胞特征。這對(duì)于深入理解組織結(jié)構(gòu)和功能，尤其是在神經(jīng)科學(xué)和疾病研究領(lǐng)域，具有重要意義。
3.UNSLICE：三維連接性重建
在對(duì)每塊板進(jìn)行成像后，剩下的任務(wù)是通過計(jì)算恢復(fù)整個(gè)腦半球的完整圖像。
當(dāng)前的計(jì)算重建方法通常適用于薄的、未變形的或側(cè)向小的組織切片，不適用于大型的、經(jīng)過大量處理的人腦平板級(jí)圖像。大型哺乳動(dòng)物組織的其他方法還沒有實(shí)現(xiàn)以單纖維分辨率精確重建人腦組織中密集免疫標(biāo)記的神經(jīng)突起。
為了實(shí)現(xiàn)厚組織體積的精確多尺度重建，研究人員開發(fā)了一個(gè)名為UNSLICE的計(jì)算管道，即通過相互連接的切割纖維端點(diǎn)，鏈接統(tǒng)一相鄰的切片組織，它在宏觀、中觀（血管）和微尺度（軸突）水平上準(zhǔn)確地對(duì)齊解剖特征。
用于2D圖像配準(zhǔn)是基于強(qiáng)度或特征的配準(zhǔn)方法，但該實(shí)驗(yàn)中的厚組織因變形而無法擴(kuò)展到大、厚和高度加工組織的板間配準(zhǔn)，則需要更相關(guān)和可靠的特征。為此，UNSLICE利用脈管系統(tǒng)的熒光標(biāo)記來匹配切割表面的血管端點(diǎn)，以定義平滑的變形場(chǎng)。
在中間或“中層”尺度上，UNSLICE通過算法追蹤從相鄰層進(jìn)入一層的血管并匹配它們。但它也需要一種更精細(xì)的方法。為了進(jìn)一步記錄這些板，研究小組特意用不同的顏色標(biāo)記了相鄰的神經(jīng)軸突（如電氣裝置中的電線），這使得UNSLICE能夠根據(jù)追蹤軸突來匹配各層。
通過以迭代和并行化的方式結(jié)合手動(dòng)操作的方式，將變形初始化的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及自動(dòng)化的血管端點(diǎn)進(jìn)行匹配，用戶可以靈活選擇精度水平。UNSLICE的成功應(yīng)用展示了管線在大規(guī)模人體器官組織的蛋白質(zhì)組學(xué)和項(xiàng)目組學(xué)分析方面的可擴(kuò)展性。
通過上述的MEGAtome的振動(dòng)式切片機(jī)、mELAST的組織凝膠技術(shù)、UNSLICE計(jì)算管道實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦組織切片、處理和成像，最終可以對(duì)人類大腦半球進(jìn)行完整成像，分辨率甚至精細(xì)到單個(gè)突觸。
更為驚人的是，該平臺(tái)想要完成腦半球成像只需100小時(shí)，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往的幾個(gè)月。這意味著科學(xué)家可短時(shí)間創(chuàng)建更多樣本，同時(shí)可以使用同一個(gè)大腦對(duì)問題進(jìn)行綜合探索，而不必觀察不同大腦中的不同現(xiàn)象后再構(gòu)建綜合圖像。
2 阿爾茨海默病中的人類大腦組織有何不同？
如果科學(xué)家有一張高精度的大腦地圖，是不是可以按圖索驥，攻克阿爾茨海默病、帕金森病、抑郁癥、精神分裂癥等疑難雜癥了呢？
在本次研究中，研究人員嘗試著觀察了阿爾茨海默病患者的大腦，看看究竟有何不同？麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)對(duì)比了來自兩位捐贈(zèng)者的人類大腦組織的分子和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)：捐贈(zèng)者1是一位未癡呆的對(duì)照組（一位61歲女性），捐贈(zèng)者2患有阿爾茨海默病（AD）引起的癡呆（一位88歲女性）。
研究人員先使用MEGAtome切割兩位捐贈(zèng)者的大腦半球，并獲得了相同神經(jīng)解剖學(xué)水平的完整冠狀板。
研究中，他們對(duì)兩名捐獻(xiàn)者的大腦半球進(jìn)行了精細(xì)處理、豐富標(biāo)記和清晰成像。經(jīng)過3D細(xì)胞表型分析算法，整個(gè)樣本的細(xì)胞分析結(jié)果顯示，在對(duì)照組中有7,464,727個(gè)NeuN+細(xì)胞，在而AD（阿爾茨海默?。┚栀?zèng)者大腦有2,890,858個(gè)NeuN+細(xì)胞。與對(duì)照組相比，阿爾茨海默病中的NeuN+細(xì)胞密度降低了46.5%（13.0×10^3/mm^3對(duì)比24.3×10^3/mm^3），這一損失比以往報(bào)告（22%至40%）更為嚴(yán)重。
在對(duì)照組中，沒有觀察到NeuN+細(xì)胞密度的區(qū)域差異，而阿爾茨海默病的樣本扣帶回（cingulate gyrus, CgG）和眶回（orbital gyrus, OrG）的NeuN+細(xì)胞密度比其他腦區(qū)要低。
隨后，研究人員進(jìn)一步調(diào)查了高神經(jīng)元丟失區(qū)域的細(xì)胞和分子變化，特別是來自O(shè)rG（眶回）的眶額皮層（OFC）。OFC是一個(gè)前額皮層區(qū)域，以其在高階認(rèn)知任務(wù)中的作用而聞名，例如決策制定，在AD（阿爾茨海默?。┑耐砥?，其連接性會(huì)受到損害。
實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，AD與對(duì)照組相比，在病理相關(guān)蛋白，即淀粉樣蛋白b（Ab）和磷酸化tau（pTau），以及星形膠質(zhì)細(xì)胞（GFAP）的分布模式上有明顯差異。在AD樣本中，已知包圍pTau+神經(jīng)纖維纏結(jié)的AD老年斑塊在整個(gè)皮層區(qū)域密集分布，與對(duì)照組中主要在第三層定位且pTau+纏結(jié)很少形成鮮明對(duì)比。并且AD鄰近層星形膠質(zhì)細(xì)胞的密度較低，它們的突起只延伸到第二層和第三層的邊界。他們還觀察到，由于神經(jīng)炎癥，AD中星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量異常增加。
在神經(jīng)元纖維方面，AD患者的纖維取向發(fā)生了改變，主要為正交取向，且在所有皮質(zhì)層中分布相似，而對(duì)轉(zhuǎn)組有有平行、正交和斜向等多種取向；AD患者的軸突、髓鞘、突觸等發(fā)生了病變。
實(shí)驗(yàn)人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦在細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞類型、分子分布以及神經(jīng)結(jié)構(gòu)等多方面與普通人的大腦存在明顯差異，這些差異體現(xiàn)了AD的多種病理特征。根據(jù)上述兩個(gè)樣本，該團(tuán)隊(duì)并沒有辦法給出任何關(guān)于阿爾茨海默病性質(zhì)的結(jié)論，但這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了一大突破，人類現(xiàn)在有能力對(duì)整個(gè)人腦半球進(jìn)行全面成像和深入分析。
該研究目前尚未呈現(xiàn)出全部大腦的圖譜，但他們?yōu)榭茖W(xué)家提供了一個(gè)途徑，去了解大腦每個(gè)細(xì)胞的獨(dú)有特性和細(xì)胞外分子之間的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)簇。這為大腦宇宙研究提供了更先進(jìn)的工具和思路，更有望開啟腦科學(xué)研究的盛宴。
值得一提的是，該技術(shù)不僅適用于大腦，還適用于身體其他組織，這將極大促進(jìn)科學(xué)家對(duì)人體器官功能和疾病機(jī)制的理解。
3 人腦研究進(jìn)入納米級(jí)時(shí)代
人類進(jìn)入無人之境離不開導(dǎo)航，科學(xué)家想探訪科學(xué)領(lǐng)域的無人區(qū)“人腦”自然也需要“地圖”。
為了繪制完整的人類大腦圖譜，自2013 年開始，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院開啟了“美國(guó)腦計(jì)劃”項(xiàng)目——大腦細(xì)胞普查網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative-Cell Census Network，BICCN），旨在用前沿技術(shù)對(duì)小鼠、非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物和人類大腦的細(xì)胞類型進(jìn)行識(shí)別和分類，并針對(duì)特定細(xì)胞類型開發(fā)新的遺傳工具。
2023 年，BICCN 的合作單位在 Science 及其子刊齊發(fā) 21 篇論文，報(bào)道了該計(jì)劃中人類大腦相關(guān)的首部分結(jié)果?！犊茖W(xué)》雜志高級(jí)編輯Mattia Maroso當(dāng)時(shí)曾這樣評(píng)論：“人腦研究的細(xì)胞時(shí)代正在叩響我們的大門！"
這計(jì)劃是為神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域提供“大腦地圖”，最終到指導(dǎo)治療人類腦疾病。那么，地圖自然越精準(zhǔn)越好。就在麻省理工發(fā)布上述研究的前一個(gè)月，谷歌團(tuán)隊(duì)聯(lián)手哈佛在AI的加持下，發(fā)布了納米級(jí)人腦圖譜，也登上了Science。
該實(shí)驗(yàn)從一位45歲女性癲癇患者的顳葉皮層提取了組織樣本，大小約為1立方毫米。經(jīng)過切片、顯微成像得到了總大小約1.4PB的原始二維圖像數(shù)據(jù)。接下來，研究者使用計(jì)算工具對(duì)這些二維圖像進(jìn)行了拼接、對(duì)齊，并重建出三維的體素?cái)?shù)據(jù)。
他們重建了數(shù)千個(gè)神經(jīng)元，超過一億個(gè)突觸連接，以及構(gòu)成人類大腦物質(zhì)的所有其他組織元素，包括膠質(zhì)細(xì)胞、血管和髓磷脂。同時(shí)，他們還使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)突觸位置進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，以及區(qū)分興奮性、抑制性突觸。
最終，團(tuán)隊(duì)成功在納米級(jí)別建模出了1立方毫米的腦組織，包含5萬多個(gè)細(xì)胞核1.5億突觸，以及其間230毫米的超細(xì)靜脈，生動(dòng)展示了一塊大約半米粒大小的人類顳葉皮層中的每個(gè)細(xì)胞及其神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò)。
因此，他們得到了有史以來分辨率最高、數(shù)據(jù)量最大的關(guān)于人腦結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集。該研究涉及了1立方毫米的人腦組織，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量卻高達(dá)1.4PB。1立方毫米體積的腦組織中包含了5.7萬細(xì)胞和1.5億突觸，而整個(gè)大腦中的突觸數(shù)量更是高達(dá)千萬億。如果算來，所有整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器都拿過來，只能存儲(chǔ)下9個(gè)人腦，數(shù)據(jù)量驚人。
在詳細(xì)檢查該模型時(shí)，研究人員有個(gè)驚奇的發(fā)現(xiàn)：軸突螺旋。其中一些神經(jīng)元彼此之間建立了多達(dá)50個(gè)連接。
此外，研究小組發(fā)現(xiàn)細(xì)胞群往往是以「鏡像對(duì)稱」的方式出現(xiàn)。但目前，研究團(tuán)隊(duì)尚不清楚這些特征在大腦中起什么作用。這些發(fā)現(xiàn)卻還是一個(gè)窗口，為讓大家看到大腦中一些前所未見的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)改變我們對(duì)大腦工作方式的理解。
每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，都有可能成為探索“人腦”這一無人區(qū)的利器。這就是科學(xué)前進(jìn)的方向。
References:
1.science：Integrated platform for multiscale molecular imaging
and phenotyping of the human brain2.新技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人腦半球完整成像 科技日?qǐng)?bào)3.以亞細(xì)胞分辨率“繪圖”——新技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人腦半球完整成像 來源：北京科協(xié)