文｜經緯創(chuàng)投
人腦是人體最精密最復雜的器官。人類的大腦有860億個神經元，而每個神經元平均與7000個神經突觸連接。如此算來，大腦大概有600萬億神經突觸連接。想要繪制一幅大腦的3D全景圖，難度不亞于精準畫出銀河系中的所有星星。
但是，無論是科學家還是醫(yī)生，想要理解人腦功能、腦損傷病因和腦疾病影響都需要詳細繪制腦細胞的解剖和分子結構及其全腦連接圖譜，但目前缺乏能捕獲細胞多尺度、多組學特性及其全腦連接的技術，一直是業(yè)界需要攻克的難題。
不久前，這個諸多神經科學家夢寐以求的全景圖終于來了。《Science》雜志發(fā)表了一項研究，美國麻省理工學院科研團隊公布了一個完全集成的可擴展技術平臺，通過同時繪制來自同一個完整人腦的細胞的全腦結構和高維特征，包括空間、分子、形態(tài)、微環(huán)境、納米和連接信息等特征，最后以亞細胞分辨率，對兩個捐贈者（一個患有阿爾茨海默病，另一個沒有）的大腦半球，實現(xiàn)了完整三維細胞成像。
什么是亞細胞分辨率？亞細胞是比細胞結構更細化的結構，一般是電子顯微鏡（EMs）下才可見的細胞結構如線粒體，中心體，高爾基體，細胞壁上的紋孔等。亞細胞分辨率意味著，這個平臺的分辨率已經精確到可以看清大腦中的單個突觸。
點看一張大腦全景圖，人體中最復雜的事物仿佛變成了一個璀璨星河。這篇文章將深入拆解繪制高精度“大腦地圖”具體分幾步？除了麻省理工團隊，谷歌震撼發(fā)布的納米級人腦圖譜，將如何加速人類大腦研究進度？對人類大腦重建的研究，有何意義？以下，Enjoy：
1 切片、處理、成像，人腦繪圖三步走
要深入了解一顆完整的人腦，并清楚知道其復雜有序的內部結構是件十分困難的事情。為此，麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一種整合平臺，能夠同時獲取人腦細胞的空間、分子、形態(tài)和連接信息。這項技術包括三個核心部分：高精度切片的振動切片機（MEGAtome）、用于多重多尺度成像的高分子水凝膠組織處理技術（mELAST）和三維連接性重建的計算管道（UNSLICE）。
平臺的工作流程包括切片、處理、標記、成像和計算拼接人類大腦組織。在磁共振(MR)成像之后，使用MEGAtome將人腦半球切成毫米厚的塊。這些塊經過處理并轉化為mELAST組織水凝膠。堅韌、彈性且可調節(jié)大小的mELAST組織水凝膠，經過多輪標記和多尺度成像，以提取高維特征。從切割的人腦組織獲得的圖像使用UNSLICE管道進行計算性重整，以實現(xiàn)多級連接映射。
1. MEGAtome：高精度切片技術
MEGAtome是一種將完整的人腦半球切成細致的裝置，不會對其造成任何損害。
傳統(tǒng)的振動切片機（如徠卡VT1200）僅限于小樣本，并且經常導致組織損傷。此外，由于其刀片振動速度有限和較大的刀片面外振動，切割表面常常遭受磨損、撕裂和變形。
為了解決這些限制，麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一種高度通用的振動刀——MEGAtome（機械增強的大尺寸無磨損振動刀）。它能夠對各種生物樣本進行超精密切片，從小器官到完整的人類大腦半球和大型動物器官陣列。同時，MEGAtome能夠實現(xiàn)高頻刀片振動，振幅增加，面外振動位移低，而這些均得益于多自由度（multi - degree of）系統(tǒng)對刀片振動控制的優(yōu)化。
為了最小化平面外寄生葉片振動，研究人員采用柔性系列設計增加了系統(tǒng)的平面外剛度。實驗過程中，研究人員通過切片大的人小腦組織（36 mm x 45 mm x 20 mm）并測量其表面輪廓，發(fā)現(xiàn)MEGAtome產生了具有出色表面均勻性的完整切片，保留了精細的組織架構。最后，MEGAtome成功地將整個人類大腦半球切片，并在8小時內生成40個連續(xù)的4毫米厚的板。
值得注意的是，MEGAtome不適合切片硬樣品，如骨、石蠟包埋或冷凍樣品，因為它們的高樣品阻力會破壞刀片振動精度。
2.mELAST：高分子水凝膠組織處理
大腦完成切片后，化學團隊開發(fā)的mELAST的組織凝膠技術，可以將組織樣本轉化為水凝膠，可以使大腦切片變得堅不可摧，讓每個切片清晰、靈活、耐用和擴展，同時保留內源性生物分子和細胞結構，并能夠進行重復的標記。
這種水凝膠是彈性的、熱化學穩(wěn)定的，并且能夠可逆地擴展。mELAST處理后的組織水凝膠能夠在水或磷酸鹽緩沖液（PBS）中實現(xiàn)線性擴展，論文中提到實現(xiàn)了4.5倍的線性擴展，同時保持組織的彈性、完整性和耐久性。
同時，實驗過程中，mELAST成功地保留了蛋白質表位，并且在周期性壓縮或組織膨脹期間沒有結構或分子信息丟失。此外，mELAST技術還允許使用單一實驗步驟對厚組織進行多輪染色，每次染色和成像后，組織可以完全去除抗體并重新染色，這使得使用相同條件對不同抗體進行統(tǒng)一染色成為可能，無需額外優(yōu)化。
因此，mELAST處理后的組織可以進行多尺度成像，從宏觀到微觀層面捕獲不同的生物學信息。這包括大腦的廣泛結構、細胞和亞細胞特征。這對于深入理解組織結構和功能，尤其是在神經科學和疾病研究領域，具有重要意義。
3.UNSLICE：三維連接性重建
在對每塊板進行成像后，剩下的任務是通過計算恢復整個腦半球的完整圖像。
當前的計算重建方法通常適用于薄的、未變形的或側向小的組織切片，不適用于大型的、經過大量處理的人腦平板級圖像。大型哺乳動物組織的其他方法還沒有實現(xiàn)以單纖維分辨率精確重建人腦組織中密集免疫標記的神經突起。
為了實現(xiàn)厚組織體積的精確多尺度重建，研究人員開發(fā)了一個名為UNSLICE的計算管道，即通過相互連接的切割纖維端點，鏈接統(tǒng)一相鄰的切片組織，它在宏觀、中觀（血管）和微尺度（軸突）水平上準確地對齊解剖特征。
用于2D圖像配準是基于強度或特征的配準方法，但該實驗中的厚組織因變形而無法擴展到大、厚和高度加工組織的板間配準，則需要更相關和可靠的特征。為此，UNSLICE利用脈管系統(tǒng)的熒光標記來匹配切割表面的血管端點，以定義平滑的變形場。
在中間或“中層”尺度上，UNSLICE通過算法追蹤從相鄰層進入一層的血管并匹配它們。但它也需要一種更精細的方法。為了進一步記錄這些板，研究小組特意用不同的顏色標記了相鄰的神經軸突（如電氣裝置中的電線），這使得UNSLICE能夠根據追蹤軸突來匹配各層。
通過以迭代和并行化的方式結合手動操作的方式，將變形初始化的對應關系以及自動化的血管端點進行匹配，用戶可以靈活選擇精度水平。UNSLICE的成功應用展示了管線在大規(guī)模人體器官組織的蛋白質組學和項目組學分析方面的可擴展性。
通過上述的MEGAtome的振動式切片機、mELAST的組織凝膠技術、UNSLICE計算管道實現(xiàn)了對腦組織切片、處理和成像，最終可以對人類大腦半球進行完整成像，分辨率甚至精細到單個突觸。
更為驚人的是，該平臺想要完成腦半球成像只需100小時，速度遠遠超過以往的幾個月。這意味著科學家可短時間創(chuàng)建更多樣本，同時可以使用同一個大腦對問題進行綜合探索，而不必觀察不同大腦中的不同現(xiàn)象后再構建綜合圖像。
2 阿爾茨海默病中的人類大腦組織有何不同？
如果科學家有一張高精度的大腦地圖，是不是可以按圖索驥，攻克阿爾茨海默病、帕金森病、抑郁癥、精神分裂癥等疑難雜癥了呢？
在本次研究中，研究人員嘗試著觀察了阿爾茨海默病患者的大腦，看看究竟有何不同？麻省理工學院團隊對比了來自兩位捐贈者的人類大腦組織的分子和結構細節(jié)：捐贈者1是一位未癡呆的對照組（一位61歲女性），捐贈者2患有阿爾茨海默病（AD）引起的癡呆（一位88歲女性）。
研究人員先使用MEGAtome切割兩位捐贈者的大腦半球，并獲得了相同神經解剖學水平的完整冠狀板。
研究中，他們對兩名捐獻者的大腦半球進行了精細處理、豐富標記和清晰成像。經過3D細胞表型分析算法，整個樣本的細胞分析結果顯示，在對照組中有7,464,727個NeuN+細胞，在而AD（阿爾茨海默病）捐贈者大腦有2,890,858個NeuN+細胞。與對照組相比，阿爾茨海默病中的NeuN+細胞密度降低了46.5%（13.0×10^3/mm^3對比24.3×10^3/mm^3），這一損失比以往報告（22%至40%）更為嚴重。
在對照組中，沒有觀察到NeuN+細胞密度的區(qū)域差異，而阿爾茨海默病的樣本扣帶回（cingulate gyrus, CgG）和眶回（orbital gyrus, OrG）的NeuN+細胞密度比其他腦區(qū)要低。
隨后，研究人員進一步調查了高神經元丟失區(qū)域的細胞和分子變化，特別是來自OrG（眶回）的眶額皮層（OFC）。OFC是一個前額皮層區(qū)域，以其在高階認知任務中的作用而聞名，例如決策制定，在AD（阿爾茨海默病）的晚期，其連接性會受到損害。
實驗觀察發(fā)現(xiàn)，AD與對照組相比，在病理相關蛋白，即淀粉樣蛋白b（Ab）和磷酸化tau（pTau），以及星形膠質細胞（GFAP）的分布模式上有明顯差異。在AD樣本中，已知包圍pTau+神經纖維纏結的AD老年斑塊在整個皮層區(qū)域密集分布，與對照組中主要在第三層定位且pTau+纏結很少形成鮮明對比。并且AD鄰近層星形膠質細胞的密度較低，它們的突起只延伸到第二層和第三層的邊界。他們還觀察到，由于神經炎癥，AD中星形膠質細胞的數量異常增加。
在神經元纖維方面，AD患者的纖維取向發(fā)生了改變，主要為正交取向，且在所有皮質層中分布相似，而對轉組有有平行、正交和斜向等多種取向；AD患者的軸突、髓鞘、突觸等發(fā)生了病變。
實驗人員通過觀察發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦在細胞數量、細胞類型、分子分布以及神經結構等多方面與普通人的大腦存在明顯差異，這些差異體現(xiàn)了AD的多種病理特征。根據上述兩個樣本，該團隊并沒有辦法給出任何關于阿爾茨海默病性質的結論，但這項研究實現(xiàn)了一大突破，人類現(xiàn)在有能力對整個人腦半球進行全面成像和深入分析。
該研究目前尚未呈現(xiàn)出全部大腦的圖譜，但他們?yōu)榭茖W家提供了一個途徑，去了解大腦每個細胞的獨有特性和細胞外分子之間的亞細胞結構簇。這為大腦宇宙研究提供了更先進的工具和思路，更有望開啟腦科學研究的盛宴。
值得一提的是，該技術不僅適用于大腦，還適用于身體其他組織，這將極大促進科學家對人體器官功能和疾病機制的理解。
3 人腦研究進入納米級時代
人類進入無人之境離不開導航，科學家想探訪科學領域的無人區(qū)“人腦”自然也需要“地圖”。
為了繪制完整的人類大腦圖譜，自2013 年開始，美國國立衛(wèi)生研究院開啟了“美國腦計劃”項目——大腦細胞普查網絡聯(lián)盟（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative-Cell Census Network，BICCN），旨在用前沿技術對小鼠、非人靈長類動物和人類大腦的細胞類型進行識別和分類，并針對特定細胞類型開發(fā)新的遺傳工具。
2023 年，BICCN 的合作單位在 Science 及其子刊齊發(fā) 21 篇論文，報道了該計劃中人類大腦相關的首部分結果?！犊茖W》雜志高級編輯Mattia Maroso當時曾這樣評論：“人腦研究的細胞時代正在叩響我們的大門！"
這計劃是為神經生物學領域提供“大腦地圖”，最終到指導治療人類腦疾病。那么，地圖自然越精準越好。就在麻省理工發(fā)布上述研究的前一個月，谷歌團隊聯(lián)手哈佛在AI的加持下，發(fā)布了納米級人腦圖譜，也登上了Science。
該實驗從一位45歲女性癲癇患者的顳葉皮層提取了組織樣本，大小約為1立方毫米。經過切片、顯微成像得到了總大小約1.4PB的原始二維圖像數據。接下來，研究者使用計算工具對這些二維圖像進行了拼接、對齊，并重建出三維的體素數據。
他們重建了數千個神經元，超過一億個突觸連接，以及構成人類大腦物質的所有其他組織元素，包括膠質細胞、血管和髓磷脂。同時，他們還使用機器學習模型對突觸位置進行自動識別，以及區(qū)分興奮性、抑制性突觸。
最終，團隊成功在納米級別建模出了1立方毫米的腦組織，包含5萬多個細胞核1.5億突觸，以及其間230毫米的超細靜脈，生動展示了一塊大約半米粒大小的人類顳葉皮層中的每個細胞及其神經連接網絡。
因此，他們得到了有史以來分辨率最高、數據量最大的關于人腦結構的數據集。該研究涉及了1立方毫米的人腦組織，產生的數據量卻高達1.4PB。1立方毫米體積的腦組織中包含了5.7萬細胞和1.5億突觸，而整個大腦中的突觸數量更是高達千萬億。如果算來，所有整個互聯(lián)網上的服務器都拿過來，只能存儲下9個人腦，數據量驚人。
在詳細檢查該模型時，研究人員有個驚奇的發(fā)現(xiàn)：軸突螺旋。其中一些神經元彼此之間建立了多達50個連接。
此外，研究小組發(fā)現(xiàn)細胞群往往是以「鏡像對稱」的方式出現(xiàn)。但目前，研究團隊尚不清楚這些特征在大腦中起什么作用。這些發(fā)現(xiàn)卻還是一個窗口，為讓大家看到大腦中一些前所未見的結構，可能會改變我們對大腦工作方式的理解。
每一個新發(fā)現(xiàn)，都有可能成為探索“人腦”這一無人區(qū)的利器。這就是科學前進的方向。
References:
1.science：Integrated platform for multiscale molecular imaging
and phenotyping of the human brain2.新技術平臺實現(xiàn)人腦半球完整成像 科技日報3.以亞細胞分辨率“繪圖”——新技術平臺實現(xiàn)人腦半球完整成像 來源：北京科協(xié)