实现猕猴全脑成像“从0到1”的突破

一支研究团队历时五年，自主研发高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制SMART流程，实现了猕猴全脑的微米级三维解析，这是目前世界上最高精度的灵长类动物的脑图谱。这是脑所毕国强教授、刘北明教授、徐放副研究员率领深理工/深圳先进院、中国科学技术大学和合肥综合性国家科学中心人工智能研究院团队在2021年7月26日发表于《自然生物技术》上的最新研究成果。
 
大脑作为结构和功能最复杂的器官，是生命活动的“司令部”，识别大脑的三维结构，对脑科学研究有重要作用。长久以来，为了能“看清”大脑的内部结构，了解其运转机制，全球科学家们都在尝试绘出一幅展现连接性、功能性和微观结构的大脑高清“地图”，然而技术难度极大。
 
先进院脑所和深港脑院脑信息中心主任毕国强回忆道：“猴脑成像技术突破的基础是我们团队自2015年开始在中科大研发的VISoR高速三维成像技术，当时最直接的目标是满足脑科学研究的一个越来越重要的需求，即解析实验动物（如小鼠、猕猴）乃至分辨人的大脑细胞的三维结构，绘制不同脑神经结构和连接图谱。传统技术拍摄大样本三维图像需要太长时间。”
 
考虑到这一点后，研究团队里的祝清源老师提出一个新的想法：利用斜照明连续拍摄厚组织样品的匀速运动，可以获得最高的成像速度。当时遇到的一个问题是运动中成像将不可避免地造成一些模糊效果，他们尝试了运用计算技术去除运动模糊的影像，但均不理想。
 
在这个难点卡了几个月之后，毕国强突然想到可以将扫描照明光束与相机拍摄读出严格同步化，使样品在成像拍照中只被非常短暂地照明一次，就可以完全避免运动模糊。之后，祝清源、王浩、丁露锋等几人一起在原型设备上实现了小鼠脑片清晰的高速三维成像，又与徐放等人一起反复迭代改进，制出了比较稳定的设备。他们把这个技术取名叫“VISoR”。
 
从设备到应用还需要非常复杂的研发，特别是样品处理和数据重构环节，王浩带领沈燕、杨倩茹等人首先尝试了多种小鼠大脑切片和透明处理的方法，发展了一套小鼠样品处理流程。同时，丁露锋和杨朝宇联合中科大信息学院吴枫教授团队和中科院自动化所韩华教授团队深入合作，开发出图像处理和三维重构拼接的算法和软件，所有努力整合在一起才使VISoR成为可应用的技术。
 
VISoR技术的最大优势在于超高速和可扩展性，它的速度在同像素分辨率下，至少比常规共聚焦成像快上千倍，比成功运用于鼠脑连接图谱解析的STPT和fMOST等技术快上百倍。“正因为如此，刘北明教授和我觉得针对猕猴进行全脑细胞分辨成像是VISoR技术的理想应用，于是我们跟昆明动物所胡新天教授、武汉物数所徐富强教授等团队合作，尝试解析猕猴大脑。但猴脑成像的困难不只在于其比鼠脑大两三百倍的体积，其结构复杂性促生样品制备和透明化都需要考虑新的方法，成像后的大数据更为重构和分析带来新的挑战。”毕国强说。
 
于是，徐放博士带领沈燕、丁露锋、杨朝宇等人通过坚持不懈地努力，最终建立了一套从样品制备到三维成像，包含数据重构和纤维追踪功能的有效流程（SMART），实现了猕猴全脑成像从0到1的突破。
 
这一原创性的科研成果问世后获得顶级科学家的纷纷点赞，美国科学院院士、神经生物学与解剖学家、华盛顿大学DavidvanEssen教授点评道：“研究团队克服了艰难的技术障碍，实现了完整的数据采集和分析流程，详细绘制出单个猕猴神经元的长距离轴突轨迹和神经连接。该研究是一项技术杰作，标志着我们在猕猴整脑中准确有效地绘制长距离连接的能力取得了惊人的进步。他们的初步观察表明，大脑皮层下方白质中的许多轴突具有出乎意料的复杂轨迹，包含与皮层折叠相关联的急转弯。这一发现可能对理解大脑形态发生和‘布线长度最小化’原则具有深远的意义。”