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中国科大/中科院深圳先进院毕国强团队解析猕猴大脑微米分辨率三维结构

2020-07-26来源:生命科学与医学部


2021年(nian)726日,中国(guo)科(ke)(ke)学(xue)技术大学(xue)合肥(fei)微尺度物质科(ke)(ke)学(xue)国(guo)家研究(jiu)中心与(yu)生命科(ke)(ke)学(xue)学(xue)院毕国(guo)强教授(shou)(shou)和(he)刘北明教授(shou)(shou)率领(ling)中科(ke)(ke)大、中科(ke)(ke)院深(shen)圳先进技术研究(jiu)院和(he)合肥(fei)综合性国(guo)家科(ke)(ke)学(xue)中心人工(gong)智能研究(jiu)院团队通(tong)过自主研发的(de)高(gao)通(tong)量(liang)三维荧光成(cheng)像VISoR技术和灵长类脑(nao)图(tu)谱绘制SMART流(liu)程,并与中(zhong)科院(yuan)(yuan)昆明动物所(suo)胡新天(tian)团(tuan)队、中(zhong)科院(yuan)(yuan)深(shen)圳先进院(yuan)(yuan)徐富强团(tuan)队、以及美国麻省理工学(xue)(xue)院、南加(jia)州大(da)学(xue)(xue)、加(jia)州大(da)学(xue)(xue)洛(luo)杉矶(ji)分校等单位科学家合作(zuo),实现(xian)了(le)对猕猴大脑的微米(mi)级分辨(bian)率三维解析。相关研究成(cheng)果以High-throughput mapping of a whole rhesus monkey brain at micrometer resolution为题发表于《自然·生(sheng)物技术》(Nature Biotechnology)。


大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)功(gong)能是(shi)(shi)(shi)由其(qi)近千(qian)亿个(ge)(ge)神(shen)经(jing)细(xi)胞,以(yi)及细(xi)胞之(zhi)间纤(xian)细(xi)而复杂(za)的(de)(de)连(lian)(lian)接来(lai)实(shi)现的(de)(de)。要深入理解(jie)大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)的(de)(de)运转(zhuan)机制(zhi)(zhi),需要将这些精(jing)密连(lian)(lian)接结(jie)构解(jie)析出(chu)(chu)来(lai),就(jiu)像(xiang)给大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)绘(hui)制(zhi)(zhi)一(yi)幅三(san)维(wei)(wei)高清地(di)图(tu)(tu)。脑(nao)(nao)(nao)图(tu)(tu)谱(pu)解(jie)析是(shi)(shi)(shi)神(shen)经(jing)科学前沿研究领(ling)域(yu),而对灵(ling)长类(lei)动物的(de)(de)脑(nao)(nao)(nao)图(tu)(tu)谱(pu)解(jie)析也是(shi)(shi)(shi)中国脑(nao)(nao)(nao)计划的(de)(de)一(yi)个(ge)(ge)重点研究方(fang)向。神(shen)经(jing)元通过轴(zhou)突纤(xian)维(wei)(wei)输送信息,如果把这些纤(xian)维(wei)(wei)类(lei)比为道路和河流(liu)(liu),那么大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)的(de)(de)尺寸(cun)就(jiu)相(xiang)当于整个(ge)(ge)地(di)球(qiu)的(de)(de)大(da)(da)小(xiao),绘(hui)制(zhi)(zhi)脑(nao)(nao)(nao)图(tu)(tu)谱(pu)就(jiu)像(xiang)要把地(di)面(mian)上的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)道路以(yi)及河流(liu)(liu)的(de)(de)大(da)(da)小(xiao)支流(liu)(liu)都(dou)测绘(hui)出(chu)(chu)来(lai)。而且因为大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)是(shi)(shi)(shi)一(yi)个(ge)(ge)三(san)维(wei)(wei)结(jie)构,它的(de)(de)内部每个(ge)(ge)地(di)方(fang)都(dou)有(you)跟地(di)球(qiu)表面(mian)同样错综复杂(za)的(de)(de)道路河流(liu)(liu)。绘(hui)制(zhi)(zhi)大(da)(da)脑(nao)(nao)(nao)图(tu)(tu)谱(pu)就(jiu)是(shi)(shi)(shi)要把这样一(yi)个(ge)(ge)复杂(za)的(de)(de)三(san)维(wei)(wei)结(jie)构进(jin)行精(jing)细(xi)分解(jie)和描(miao)绘(hui)。


目前的(de)脑图谱(pu)研(yan)究主要(yao)集(ji)中于小鼠(shu),国际通用(yong)的(de)成像技术对其进(jin)行微米分(fen)辨(bian)率全脑成像通常需要(yao)数天的(de)时(shi)间,而猕猴脑体(ti)积为鼠(shu)脑的(de)200倍以上,要在较(jiao)短时间内完(wan)成全脑成像(xiang)是一项极(ji)大的(de)挑战(zhan)。为(wei)应对这一挑战(zhan),团队此前在中科院“脑功能(neng)联接图谱”战(zhan)略性先导专项和科研(yan)仪器研(yan)制项目、以及国家自然科学(xue)基(ji)金“情(qing)感与记(ji)忆的(de)神经环路基(ji)础”重大研(yan)究计(ji)划项目的(de)支持下,经过数年的(de)攻关(guan),研(yan)发(fa)了VISoR高(gao)速三维荧光(guang)成像技术(工作(zuo)于(yu)2019年发表(biao)于(yu)《国家(jia)科学评论》)。这(zhei)一技(ji)术通过斜截面扫描照(zhao)明与同步成像(xiang)(xiang)实现了(le)在样品连(lian)续运动(dong)时(shi)进行无模糊的图像(xiang)(xiang)采集,消除了(le)传(chuan)统大样品成(cheng)像需要(yao)在不同的(de)小(xiao)视野切换、停顿所带来的(de)时(shi)间损失(shi),数(shu)据采集(ji)速(su)度比(bi)当(dang)前(qian)通用于小(xiao)鼠脑图谱绘制的(de)几(ji)种三维光学成(cheng)像技术提升数(shu)十倍,使得猴脑图谱解(jie)析成(cheng)为可(ke)能。


除了成像通量的挑战,对(dui)猕猴脑(nao)进行高分辨全脑(nao)成像还面临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的困难。团队采取先对(dui)离(li)体大脑(nao)进行包埋切(qie)片的方式,使(shi)得溶液渗透效(xiao)率(lv)仅依赖于切(qie)片厚度,而不受其大小的影(ying)响(xiang),并且发展了高折射率(lv)的PuClear组织透(tou)明化方(fang)法,对脑片(pian)的灰质与白(bai)质不同(tong)部分、不同(tong)深度(du)达到均匀透(tou)明。然后通过(guo)改进的VISoR2系(xi)统,最终对猕猴全脑(nao)样品在100小时内(nei)完(wan)成1×1×2.5微米三维分辨率的图像(xiang)采(cai)集,项目(mu)中两只猕猴大脑图像(xiang)原(yuan)始数据量超过了1 PB。由于数据体(ti)积庞大,团队开发了自动的三维图像拼接(jie)技(ji)术和渐进式(shi)的半自动追踪(zong)技术,实现了猕猴(hou)大脑的三维图(tu)像重建和神经元轴突纤维的长距离追踪,并在此基(ji)础(chu)上(shang)发现了前所(suo)未知的猕猴轴突(tu)纤维投射特(te)性及其在大(da)脑皮质沟回处转折延伸(shen)的多(duo)种路径形态。

   

VISoR技(ji)术作为当(dang)前(qian)世界(jie)最快的(de)(de)大(da)(da)尺度(du)(du)三维(wei)组织成(cheng)(cheng)像方法,可(ke)以对各种模型(xing)动(dong)物(wu)(wu)大(da)(da)脑进行(xing)高(gao)通量、高(gao)精(jing)度(du)(du)的(de)(de)定量解析,并(bing)可(ke)扩展至其(qi)它(ta)组织器官(guan),在(zai)大(da)(da)规(gui)模药(yao)物(wu)(wu)筛选(xuan)、快速病(bing)理诊断,以及更(geng)大(da)(da)型(xing)生物(wu)(wu)样品成(cheng)(cheng)像等领域都(dou)有广(guang)阔的(de)(de)应用前(qian)景(jing)。这项(xiang)技(ji)术产生的(de)(de)超大(da)(da)规(gui)模数据与(yu)人(ren)(ren)工智能技(ji)术的(de)(de)结合,将有望帮助理解人(ren)(ren)类大(da)(da)脑和(he)身体(ti)器官(guan)的(de)(de)精(jing)细结构及其(qi)在(zai)疾病(bing)中的(de)(de)变化规(gui)律,加(jia)速医(yi)疗诊断和(he)药(yao)物(wu)(wu)研发,促进人(ren)(ren)类健康。


合(he)(he)(he)肥(fei)微(wei)(wei)尺(chi)度物质科(ke)(ke)学(xue)(xue)国(guo)家(jia)研(yan)(yan)(yan)究中(zhong)心(xin)博士(shi)后(hou)、现(xian)任中(zhong)科(ke)(ke)院深圳先进技(ji)术研(yan)(yan)(yan)究院副研(yan)(yan)(yan)究员徐放,生命科(ke)(ke)学(xue)(xue)学(xue)(xue)院研(yan)(yan)(yan)究生沈燕、丁露锋、杨朝宇是论文(wen)第(di)一作者(zhe)。论文(wen)的共同作者(zhe)还(hai)包括(kuo)合(he)(he)(he)肥(fei)综合(he)(he)(he)性(xing)国(guo)家(jia)科(ke)(ke)学(xue)(xue)中(zhong)心(xin)人工智能研(yan)(yan)(yan)究院王浩副研(yan)(yan)(yan)究员、合(he)(he)(he)肥(fei)微(wei)(wei)尺(chi)度物质科(ke)(ke)学(xue)(xue)国(guo)家(jia)研(yan)(yan)(yan)究中(zhong)心(xin)祝清源(yuan)高级工程师、徐程副研(yan)(yan)(yan)究员、中(zhong)科(ke)(ke)院昆明(ming)动物所胡新天研(yan)(yan)(yan)究员、中(zhong)科(ke)(ke)院深圳先进院徐富强研究员、麻省理工学院Robert Desimone教授、加州(zhou)大学洛杉矶分校董红卫(wei)教授、南加州(zhou)大学张砺教授等。毕国强教授和刘北(bei)明教授是论文的通讯作者。


研究(jiu)得到中国科(ke)学院(yuan)战略性先导专(zhuan)项、国家自然科(ke)(ke)学基(ji)金、广东省重点领(ling)域(yu)研发计划、深圳市脑(nao)(nao)解析与(yu)脑(nao)(nao)模拟重大科(ke)(ke)技基(ji)础设施、深港脑(nao)(nao)科(ke)(ke)学创新研究院等项目(mu)支持(chi)。


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