大腦是自然界最複雜的造物。在人類大腦中，近千億神經元如繁星般交織，構成了思想、記憶與意識的宇宙。解開這個宇宙的運行法則，是科學的終極疆域之一。

7月10日，一個由中國科學家主導，聯合多國研究力量的團隊，在《細胞》（Cell）、《神經元》（Neuron）、《發育細胞》（Developmental Cell）期刊以專輯形式，集中發表了十項里程碑式的研究成果。這一系列成果借助自主研發的腦成像、空間轉錄組和人工智慧技術，首次實現了介觀腦聯接圖譜繪製從齧齒類到靈長類的跨越。這不僅為理解大腦的“智慧密碼”提供了前所未有的“高清地圖”，也標誌著我國在這一前沿領域的研究進入了體系化攻堅的新階段。

這些研究是中國科技部重點培育的“全腦介觀神經聯接圖譜”大科學計畫的階段性碩果，由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、中國科技大學、華中科技大學蘇州腦空間資訊研究院、華大生命科學研究院、浙江大學醫學院附屬第一醫院等30多家國內外機構、超過300名科研人員協同完成。

從細胞類型到結構圖譜：繪製大腦的“高清地圖”

要理解一座城市的運轉，我們需要不同精度的地圖：一張顯示各功能區的衛星圖，一張標明所有道路的交通圖，以及一張記錄每個地址居民資訊的戶籍圖。繪製“大腦地圖”也是同理，科學家需要從不同層面入手，構建一套多維度的圖譜。

我們知道大腦裏面主要是神經元細胞，但實際上大腦並非由單一類型的細胞構成，而是由成百上千種功能各異的神經元和膠質細胞等組成的精密“社區”。這些細胞可以從基因角度進行更細緻的分類，來揭示它們演化和功能方面的特徵。“細胞類型圖譜”就是用來回答“大腦裏有哪些細胞，它們分別住在哪里”這一問題的。

利用華大自主研發的Stereo-seq空間轉錄組技術，研究人員得以在知曉一個細胞基因資訊的同時，精確定位它的空間“住址”。在本次成果中，團隊不僅繪製了小鼠全腦的單細胞空間圖譜，還首次獲得了阿爾茨海默病患者海馬腦區的單細胞空間圖譜，精確揭示了病理狀態下特定細胞類型的空間分佈變化，為疾病的早期診斷及鑒別診斷提供了全新線索。

知道了細胞的類型和分佈之後，就需要回答“細胞之間如何聯接”的問題，於是就有了反映不同類型細胞的聯接結構和模式的“介觀”圖譜。神經元通過軸突，將自己需傳遞的資訊“投射”到其他神經元上。許多神經元之間的聯接，就形成了大腦的“公路網”，並進一步將資訊傳遞到身體的各個部分。看清這張網路的具體走向，是理解大腦資訊處理流程的關鍵。

研究團隊利用自主研發的LV-fMOST和VISoR等高通量三維成像技術，實現了對整個大腦乃至整個小鼠全身的精細成像。其中一項成果進一步利用自主研發的Gapr追蹤系統，重構了獼猴前額葉皮層中超過2200個投射神經元的全腦“線路圖”，發現靈長類大腦的神經連接模式比小鼠更為“精簡高效”，這可能是實現高級認知功能的重要特徵。

這一發現打破了原先“物種越高等，單神經元連接越複雜”的假設：靈長類大腦的單神經元結構並非更複雜，而是採取了更專一的投射靶向、更高效的聯接模式。通俗來說，靈長類大腦如同員工數量龐大、人人分工明確的“大公司”，而小鼠大腦如同員工數量少、人人都是多面手的“小公司”。美國科學院院士、麻省理工學院麥戈文腦研究所所長Robert Desimone評價該成果為“傑作”：“這一靈長類前額葉皮層及其連接的‘線路圖’，對於我們進一步理解健康和疾病狀態下的認知功能是非常需要的。”

在對被認為是“意識中樞”的獼猴屏狀核的研究中，團隊結合空間轉錄組和全腦連接數據，發現屏狀核內部分為四個功能亞區，每個亞區富含特定的細胞類型，並與大腦不同功能腦區相連。這為理解意識如何整合全腦資訊提供了關鍵的結構框架。

大腦“地圖”的繪製離不開更精准有效的測序、示蹤、觀測等技術，該系列研究攻克了一系列難點，構建出了國際領先的細胞特異性靶向工具。長期以來，要在獼猴大腦中精准地標記和調控特定類型的細胞極為困難。中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心/上海腦科學與類腦研究中心的劉真研究組牽頭合作研發的工具集，如同開發了一套“精准導航”的分子工具，使研究人員無需再依賴耗時漫長的轉基因模型，就能在靈長類大腦中便捷地實現對特定神經元的活性“開關”和“觀測”，這一技術標誌著“靈長類腦科學進入了精准細胞類型研究新階段”。

“這些成果的取得，離不開自主技術的迭代。”中國科學院腦智卓越中心黨委書記、副主任孫衍剛介紹，“我們形成了‘技術開發+平臺支撐+團隊協作’的模式。在10項成果裏有兩項是關鍵技術突破，在此基礎上，我們通過建立平臺和團隊協作，在神經環路解析、腦進化解密和腦疾病解碼三方面取得了一系列突破。”

破解大腦之謎的堅實一步

這一系列“高清地圖”的發佈，其意義遠不止於數據本身，它為腦科學基礎研究、腦疾病診療和類腦智能發展提供了關鍵的鑰匙。在基礎科學層面，這些圖譜不僅揭示了前額葉、屏狀核等腦區的結構規律，也為了解智慧的起源和演化提供了全新視角。通過比較龜、鳥、小鼠、獼猴等多個物種的腦圖譜，研究人員揭示了脊椎動物大腦在長達3.2億年演化史中的保守與特化規律。

在應用層面，這些成果直接指向了人類最棘手的腦疾病。在針對阿爾茨海默病的研究中，團隊繪製的人類海馬空間轉錄組圖譜，清晰地展示了在病理斑塊周圍，特定的小膠質細胞和星形膠質細胞如何聚集並改變，揭示了一系列神經系統來源的靶標，為理解病理機制和開發早期診斷標誌物提供了重要依據。該團隊的研究人員、浙江大學的王盼告訴澎湃科技，基於該研究發現的外泌體靶標能夠成為阿爾茲海默病早期診斷乃至治療干預的靶點，目前已經在進行成果轉化中。

另一項研究則首次描繪了小鼠腦出血後從超急性期到恢復期的單細胞解析度的空間轉錄組圖譜，系統解析了腦組織損傷與修復過程，以及膠質細胞等多種細胞在這一修復過程中發揮的關鍵作用，揭示血腫及其周邊區域存在明確的空間梯度基因表達模式，闡明腦出血不僅是局部病變，更會引發全腦反應。該圖譜的繪製，為深入理解腦出血的動態病理過程提供了重要資源，並為靶向干預和個體化治療策略奠定了基礎。該研究團隊成員、鄭州大學基礎醫學院王君敏副教授表示，未來有望通過在特定時間窗口內用藥調控炎症或氧化應激，結合手術精准清除血腫，為腦出血的臨床治療帶來新的希望。

系列研究專案發起者、中國科學院院士蒲慕明表示，從獼猴大腦到人類大腦，從介觀圖譜到真正能反映大腦運作機制的“功能圖譜”，大腦地圖要真正幫助我們理解意識起源、解決大腦疾病，還有很長的路要走。目前的工作是這些目標的堅實基礎。

“如同‘人類基因組’計畫一樣，剛測出來的時候，人們也不知道怎樣去利用。但測序不僅推動了技術的發展，我們知道了神經聯接資訊等之後，還能夠進一步研究其規律，為之後的功能研究和神經調控打下基礎。”他告訴澎湃科技。

中國的“大科學計畫”

繪製大腦圖譜是一項工程浩大、數據量驚人的系統工程，非單個實驗室或單個機構所能完成。本次系列成果的發佈，充分展現了大團隊協同攻關的“集團軍”優勢。

“這個成果實際上是有國內外的8個研究機構的92名科研人員共同聯合攻關完成的，”孫衍剛研究員以屏狀核研究為例介紹，“這裏面整合了法國科研機構的示蹤技術、華大的空間轉錄組技術優勢，還有騰訊AI實驗室的演算法算力優勢。這是一個圍繞核心任務，多方協同最終產生突破性成果的非常好的案例。”

這種大科學的組織模式，正是中國正在積極推動的“全腦介觀神經聯接圖譜”國際大科學計畫的雛形。蒲慕明表示：“我們在這個領域，已經在國際前沿上做出了令人矚目的工作。在這個基礎之上，我們在今年9月份將正式成立全球的靈長類腦圖譜聯盟。這是一個中國發起的大科學計畫，我們中國科學家擔任主導作用。”

這項計畫的目標宏大且清晰：從已經取得突破的小鼠和獼猴圖譜出發，穩步向著繪製人類介觀腦圖譜的最高目標邁進。這不僅需要持續的技術創新，更需要開放、共用的國際合作精神。

“靈長類腦圖譜研究具有工程浩大、週期長、數據量驚人等特點，對此，我們呼籲要持續深化全球科技合作，共同向破解靈長類介觀腦圖譜的更高目標發起衝擊。”專案相關負責人介紹。

從最初的模糊輪廓到如今的“高清地圖”，人類對自身大腦的探索正邁入一個新紀元。這些由中國科學家主導繪製的圖譜，不僅是基礎科學的寶貴財富，也為最終實現“認識腦、保護腦、模擬腦”的目標奠定了堅實的基石。

來源：中國澎湃新聞