北京時間7月10日23時，《細胞》《神經元》《發育細胞》期刊在線發布了由上海科研機構牽頭，聯合國內8家機構以及法國、瑞典、英國等國科學家取得的多項腦科學研究成果。作為國際頂級科學期刊，《細胞》以封面形式刊登“中國腦計劃”系列成果，足見其含金量之高。

　　中國科學院院士、中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心(以下簡稱“中國科學院腦智卓越中心”)學術主任蒲慕明介紹，“中國腦計劃”團隊利用高精度光學腦成像、空間轉錄組和人工智能等前沿技術，深入解析了大腦細胞類型多樣性、聯接規律、發育進化規律和腦疾病分子機制，在單細胞分辨率下，實現了介觀腦圖譜繪制從嚙齒類動物到靈長類動物的跨越。

　　這些基礎研究突破，為科學家破解腦功能機制、攻克腦疾病、研發類腦智能提供了重要支撐。

 

　　最新一期《細胞》雜志封面

　　美歐日中先后啟動腦計劃

　　大腦和宇宙一樣，還存在大量未解之謎。哺乳動物大腦的復雜性超乎想象，其中最復雜的人腦，包含近1000億個神經元和上萬億神經連接，為全面解析大腦的結構和功能帶來了巨大挑戰。

　　繪制精細人腦圖譜，一直是科學界的終極目標之一。隨著單細胞多組學測序、高通量全腦成像、生物信息學工具和人工智能等技術突破，繪制精細的靈長類動物腦圖譜，已成為科學界的近期目標。

　　據了解，腦圖譜研究是美國、歐盟、日本和中國腦計劃的重要組成部分，國際競爭激烈。美國在2013年啟動的腦計劃布局了腦圖譜研究相關技術，已研發出成熟的單細胞和空間多組學技術，發布了多批腦圖譜成果。日本腦計劃于2014年啟動，主要聚焦狨猴研究，其中狨猴腦圖譜開發是核心任務之一。歐盟于2013年啟動的腦計劃聚焦腦模擬研究，10年投入約6億歐元，但未能實現其預設的大規模“模擬腦”目標。

　　與美、歐、日相比，“中國腦計劃”起步較晚，于2021年正式啟動，以腦認知原理為研究主體，以腦重大疾病研究和類腦智能研發為“兩翼”。我國科研團隊開發了熒光顯微光學切片斷層成像、高通量三維熒光快速成像、時空轉錄組學技術等領先技術，在國際上率先繪制出單細胞分辨率下的靈長類介觀腦圖譜。

　　“這是中國生命科學領域規模最大的合作項目，共有來自30多家單位的幾百名科研人員參與。”蒲慕明說，“我們針對重大前沿科學問題聯合攻關，終于取得了一系列重要成果。”

　　解析靈長類高級認知腦區

　　在《細胞》雜志發表的論文中，“獼猴前額葉皮層神經元全腦投射圖譜”引人注目。中國科學院腦智卓越中心研究員嚴軍介紹，靈長類動物的前額葉皮層是負責高級認知功能的最關鍵腦區，但其神經聯接規律仍不清楚。他們利用華中科技大學蘇州腦空間信息研究院研發的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續精準三維成像技術、課題組自主研發的GAPR神經元追蹤系統，獲取并重構了獼猴前額葉皮層中2231個神經元的全腦投射圖譜。

　　經過系統分析，他們發現了32種投射神經元亞型，刻畫了每種亞型的胞體分布模式、軸突靶向通路、軸突末梢分支形態。與小鼠相比，獼猴前額葉神經元具有高度的靶向專一性、更少的軸突分支和更集中的末梢分布。

　　

 

　　中國科學院腦智卓越中心介觀腦圖譜研究團隊

　　美國科學院院士、麻省理工學院麥戈文腦研究所所長羅伯特·德西蒙(Robert Desimone)稱這項成果是中國科研團隊的“杰作”，因為它是全球首個靈長類動物的單神經元投射圖譜。“這一靈長類前額葉皮層及其連接的‘線路圖’，對我們進一步理解健康和疾病狀態下的認知功能非常重要。”

　　不僅如此，獼猴腦圖譜對新一代人工智能研發也具有重要價值。嚴軍解釋：“我們發現，靈長類大腦中神經元之間采用的是專一、精準的連接方式，不同區域之間通過明確的功能模塊各司其職，形成高效而有組織的信息處理網絡。如果將這種設計理念應用到硅基系統中，或許能讓人工智能對信息的處理更像人腦在思考，在任務切換、注意力控制、邏輯推理等方面的表現也會更接近人腦。”

　　為破解意識產生之謎奠基

　　在人類大腦深處，隱藏著一個薄如紙片的神秘結構——屏狀核。其重要性不亞于前額葉皮層，因為它可能是意識產生的關鍵腦區。2005年，諾貝爾生理學或醫學獎得主弗朗西斯·克里克和克里斯托夫·科赫提出假說：屏狀核通過其廣泛的聯接網絡，將來自不同感覺模態和認知功能的信息進行整合，從而產生統一的意識體驗。

　　為了破解大腦意識產生之謎，中國科學院腦智卓越中心聯合華大生命科學研究院、法國國家衛生與醫學研究院干細胞與腦研究所、臨港實驗室、上海腦科學與類腦研究中心、騰訊AI實驗室等機構，采用“單核轉錄組測序+時空轉錄組學技術”，繪制出獼猴屏狀核單細胞分辨率的時空圖譜。這是全球首個非人靈長類屏狀核時空圖譜，揭示了獼猴屏狀核中每個腦細胞的基因信息，并為它們標注了“住址”。相關論文已發表在《細胞》上。

　　

 

　　獼猴屏狀核單細胞分辨率的時空圖譜

　　“這項研究對腦功能理解產生的影響是多方面的。”中國科學院腦智卓越中心研究員沈志明說，它為意識研究提供了堅實的細胞和分子基礎，通過詳細描繪屏狀核的細胞組成和聯接模式，讓科研人員能更精確地測試和驗證關于意識產生機制的各種假說，為理解復雜認知功能的神經網絡基礎提供了新的視角。

　　在醫療領域，基于屏狀核圖譜的精準醫學方法有望為意識障礙患者的診斷和治療帶來重要改變。通過精確調控屏狀核的活動，未來可能實現對大腦整體狀態的有效調節，為抑郁癥患者調節情緒狀態提供新的技術路徑。

　　在教育領域，通過深入了解屏狀核在注意力、記憶整合和抽象思維中的作用機制，未來可能開發出更有效的認知訓練方法，提高人們的學習效率和思維能力。

　　《細胞》審稿人寫道：“這項研究令人印象深刻且意義重大。”在探索大腦意識產生機制的道路上，中國科學家邁出了關鍵一步。

　　原標題：《“中國腦計劃”系列成果登上《細胞》封面，通向大腦意識之謎和新一代人工智能》

　　欄目主編：黃海華

　　來源：作者：解放日報 俞陶然