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北京时间7月10日23时，《细胞》《神经元》《发育细胞》期刊在线发布了由上海科研机构牵头，联合国内8家机构以及法国、瑞典、英国等国科学家取得的多项脑科学研究成果。作为国际顶级科学期刊，《细胞》以封面形式刊登“中国脑计划”系列成果，足见其含金量之高。
中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称“中国科学院脑智卓越中心”）学术主任蒲慕明介绍，“中国脑计划”团队利用高精度光学脑成像、空间转录组和人工智能等前沿技术，深入解析了大脑细胞类型多样性、联接规律、发育进化规律和脑疾病分子机制，在单细胞分辨率下，实现了介观脑图谱绘制从啮齿类动物到灵长类动物的跨越。
这些基础研究突破，为科学家破解脑功能机制、攻克脑疾病、研发类脑智能提供了重要支撑。
最新一期《细胞》杂志封面
美欧日中先后启动脑计划
大脑和宇宙一样，还存在大量未解之谜。哺乳动物大脑的复杂性超乎想象，其中最复杂的人脑，包含近1000亿个神经元和上万亿神经连接，为全面解析大脑的结构和功能带来了巨大挑战。
绘制精细人脑图谱，一直是科学界的终极目标之一。随着单细胞多组学测序、高通量全脑成像、生物信息学工具和人工智能等技术突破，绘制精细的灵长类动物脑图谱，已成为科学界的近期目标。
据了解，脑图谱研究是美国、欧盟、日本和中国脑计划的重要组成部分，国际竞争激烈。美国在2013年启动的脑计划布局了脑图谱研究相关技术，已研发出成熟的单细胞和空间多组学技术，发布了多批脑图谱成果。日本脑计划于2014年启动，主要聚焦狨猴研究，其中狨猴脑图谱开发是核心任务之一。欧盟于2013年启动的脑计划聚焦脑模拟研究，10年投入约6亿欧元，但未能实现其预设的大规模“模拟脑”目标。
与美、欧、日相比，“中国脑计划”起步较晚，于2021年正式启动，以脑认知原理为研究主体，以脑重大疾病研究和类脑智能研发为“两翼”。我国科研团队开发了荧光显微光学切片断层成像、高通量三维荧光快速成像、时空转录组学技术等领先技术，在国际上率先绘制出单细胞分辨率下的灵长类介观脑图谱。
“这是中国生命科学领域规模最大的合作项目，共有来自30多家单位的几百名科研人员参与。”蒲慕明说，“我们针对重大前沿科学问题联合攻关，终于取得了一系列重要成果。”
解析灵长类高级认知脑区
在《细胞》杂志发表的论文中，“猕猴前额叶皮层神经元全脑投射图谱”引人注目。中国科学院脑智卓越中心研究员严军介绍，灵长类动物的前额叶皮层是负责高级认知功能的最关键脑区，但其神经联接规律仍不清楚。他们利用华中科技大学苏州脑空间信息研究院研发的大体积猕猴全脑亚微米分辨连续精准三维成像技术、课题组自主研发的GAPR神经元追踪系统，获取并重构了猕猴前额叶皮层中2231个神经元的全脑投射图谱。
经过系统分析，他们发现了32种投射神经元亚型，刻画了每种亚型的胞体分布模式、轴突靶向通路、轴突末梢分支形态。与小鼠相比，猕猴前额叶神经元具有高度的靶向专一性、更少的轴突分支和更集中的末梢分布。
中国科学院脑智卓越中心介观脑图谱研究团队
美国科学院院士、麻省理工学院麦戈文脑研究所所长罗伯特·德西蒙（Robert Desimone）称这项成果是中国科研团队的“杰作”，因为它是全球首个灵长类动物的单神经元投射图谱。“这一灵长类前额叶皮层及其连接的‘线路图’，对我们进一步理解健康和疾病状态下的认知功能非常重要。”
不仅如此，猕猴脑图谱对新一代人工智能研发也具有重要价值。严军解释：“我们发现，灵长类大脑中神经元之间采用的是专一、精准的连接方式，不同区域之间通过明确的功能模块各司其职，形成高效而有组织的信息处理网络。如果将这种设计理念应用到硅基系统中，或许能让人工智能对信息的处理更像人脑在思考，在任务切换、注意力控制、逻辑推理等方面的表现也会更接近人脑。”
为破解意识产生之谜奠基
在人类大脑深处，隐藏着一个薄如纸片的神秘结构——屏状核。其重要性不亚于前额叶皮层，因为它可能是意识产生的关键脑区。2005年，诺贝尔生理学或医学奖得主弗朗西斯·克里克和克里斯托夫·科赫提出假说：屏状核通过其广泛的联接网络，将来自不同感觉模态和认知功能的信息进行整合，从而产生统一的意识体验。
为了破解大脑意识产生之谜，中国科学院脑智卓越中心联合华大生命科学研究院、法国国家卫生与医学研究院干细胞与脑研究所、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI实验室等机构，采用“单核转录组测序+时空转录组学技术”，绘制出猕猴屏状核单细胞分辨率的时空图谱。这是全球首个非人灵长类屏状核时空图谱，揭示了猕猴屏状核中每个脑细胞的基因信息，并为它们标注了“住址”。相关论文已发表在《细胞》上。
猕猴屏状核单细胞分辨率的时空图谱
“这项研究对脑功能理解产生的影响是多方面的。”中国科学院脑智卓越中心研究员沈志明说，它为意识研究提供了坚实的细胞和分子基础，通过详细描绘屏状核的细胞组成和联接模式，让科研人员能更精确地测试和验证关于意识产生机制的各种假说，为理解复杂认知功能的神经网络基础提供了新的视角。
在医疗领域，基于屏状核图谱的精准医学方法有望为意识障碍患者的诊断和治疗带来重要改变。通过精确调控屏状核的活动，未来可能实现对大脑整体状态的有效调节，为抑郁症患者调节情绪状态提供新的技术路径。
在教育领域，通过深入了解屏状核在注意力、记忆整合和抽象思维中的作用机制，未来可能开发出更有效的认知训练方法，提高人们的学习效率和思维能力。
《细胞》审稿人写道：“这项研究令人印象深刻且意义重大。”在探索大脑意识产生机制的道路上，中国科学家迈出了关键一步。
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