猕猴大脑的三维图像绘制成功 类脑智能离我们更进一步

科幻网7月27日讯(康文颖) 大脑是最复杂的器官,大脑功能由近千亿个神经细胞,以及细胞之间纤细而复杂的连接实现(www.cnnq.com.cn)。为了研究大脑运转机制,科学家们一直在尝试为大脑绘制一幅三维高清地图。

据报道,中国科学技术大学的毕国强教授和刘北明教授与国内外学者合作,通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制流程,实现了对猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。这是目前世界上最高精度的灵长类动物脑图谱,相关成果于26日发表于《自然·生物技术》。

美国科学院院士大卫·冯·埃森教授表示,研究团队克服了技术障碍,实现了完整的数据采集和分析流程,可视化和详细绘制了单个猕猴神经元的长距离轴突轨迹和神经联接。该研究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。

据了解,脑图谱解析是神经科学前沿研究领域,猕猴为理解人类大脑健康和疾病提供了最佳模型系统。但是,猕猴脑体积是鼠脑的200倍以上,因为技术限制,目前的脑图谱研究主要集中于小鼠,通常需要几天至十几天才能完成一只小鼠全脑的微米分辨率三维成像。

而研究团队经过数年的攻关,研发了VISoR高速三维荧光成像技术,该技术作为当前世界最快的大尺度三维组织成像方法,数据采集速度比当前通用于小鼠脑图谱绘制的几种三维光学成像技术提升数十倍,为猕猴大脑图谱解析提供了可行的手段。

不仅有着成像通量的挑战,研究团队还面临着猕猴脑临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的难题。团队在经过多次尝试后,采取了先对离体大脑进行包埋切片的方式,使溶液渗透效率不受其大小的影响,仅依赖于切片厚度。

同时,发展了高折射率的组织透明化方法,让脑片的灰质与白质不同部分、不同深度达到均匀透明。此外,由于猕猴脑图像原始数据量太过庞大,团队还开发了自动的三维图像拼接技术和渐进式半自动追踪技术,实现了猕猴大脑的三维图像重建和神经元轴突纤维的长距离追踪。

合肥微尺度物质科学国家研究中心博士后、现任中科院深圳先进技术研究院副研究员徐放介绍说,灵长类大脑神经环路的组织规律,对于理解大脑以及未来借鉴生物大脑结构来构建人工神经网络、实现更强大的类脑智能具有深远意义。

毕国强教授表示,VISoR技术和灵长类脑图谱绘制流程具有很强的兼容性和普适性。该技术与人工智能技术结合,将有望帮助理解人类大脑和身体器官的精细结构及其在疾病中的变化规律,加速医疗诊断和药物研发,促进人类健康。

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