為破解感知、運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)記憶和決策等重要腦功能的運(yùn)作密碼，腦圖譜研究應(yīng)運(yùn)而生——通過(guò)繪制高精度的“大腦地圖”，精確定位神經(jīng)細(xì)胞、解析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接規(guī)律，從而為理解腦功能機(jī)制、攻克腦疾病及研發(fā)類(lèi)腦智能提供重要支撐。
7月10日，由國(guó)內(nèi)外30多個(gè)核心機(jī)構(gòu)的300余位科研人員聯(lián)合攻關(guān)開(kāi)展的10項(xiàng)腦圖譜研究成果在CELL PRESS以專(zhuān)題論文集的形式在線(xiàn)發(fā)布，其中3項(xiàng)成果為首次見(jiàn)刊，另外7項(xiàng)成果近期發(fā)表于《細(xì)胞》《神經(jīng)元》《發(fā)育細(xì)胞》。這些研究成果深入解析了大腦細(xì)胞類(lèi)型多樣性、聯(lián)接規(guī)律、發(fā)育進(jìn)化規(guī)律及腦疾病分子機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在單細(xì)胞分辨率下從嚙齒類(lèi)到靈長(zhǎng)類(lèi)的介觀腦圖譜繪制的跨越。
中國(guó)學(xué)者牽頭
“要理解計(jì)算機(jī)工作原理，需要分析清楚芯片中半導(dǎo)體元器件之間的分布及連接模式。類(lèi)似的，聯(lián)接圖譜的繪制是解析腦科學(xué)工作原理的基礎(chǔ)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)腦智卓越中心）學(xué)術(shù)主任蒲慕明說(shuō)道，“鑒于非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物大腦結(jié)構(gòu)與人類(lèi)最為相似，在研究人腦之前，以非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物為模型繪制其圖譜具有重要意義。”
2018年，蒲慕明和中國(guó)科學(xué)院院士、海南大學(xué)校長(zhǎng)駱清銘共同倡議，發(fā)起“全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜”大科學(xué)計(jì)劃。2020年，科技部召開(kāi)腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃啟動(dòng)前期工作座談會(huì)，并成立中國(guó)工作組，專(zhuān)項(xiàng)部署大科學(xué)計(jì)劃培育項(xiàng)目。
自啟動(dòng)以來(lái)，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃的核心目標(biāo)逐步聚焦在繪制非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物和人腦全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜。在該戰(zhàn)略布局下，腦智卓越中心、海南大學(xué)、華大生命科學(xué)研究院等國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)牽頭，與全球頂尖科研機(jī)構(gòu)及科學(xué)家開(kāi)展深度合作，共同籌建“國(guó)際靈長(zhǎng)類(lèi)介觀腦圖譜聯(lián)盟”。聯(lián)盟有力推進(jìn)了腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃在總體目標(biāo)、國(guó)際分工和管理機(jī)制等方面形成國(guó)際共識(shí)，并將進(jìn)一步整合技術(shù)、平臺(tái)、人員、數(shù)據(jù)等資源，形成更大規(guī)模的跨機(jī)構(gòu)科研合作團(tuán)隊(duì)，加快推動(dòng)腦圖譜研究進(jìn)程。
腦智卓越中心黨委書(shū)記孫衍剛介紹，為吸引更多國(guó)際同行關(guān)注并參與腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃，2023年12月，蒲慕明與《細(xì)胞》主編溝通，共同策劃以專(zhuān)題論文集形式發(fā)布介觀腦圖譜繪制的系列成果。
“在中國(guó)工作組的前期工作基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)從事腦科學(xué)的科學(xué)家形成了一個(gè)‘研究網(wǎng)絡(luò)’。我們綜合考慮了當(dāng)前集中攻關(guān)項(xiàng)目與介觀腦圖譜的關(guān)聯(lián)性、研究成果的重要性以及任務(wù)的實(shí)際進(jìn)展，篩選并匯集了約20項(xiàng)工作，于2024年3月啟動(dòng)投稿?！睂O衍剛表示，“投稿流程以及對(duì)稿件的具體要求，均遵循了與常規(guī)投稿途徑相同的標(biāo)準(zhǔn)?！?span style="display:none">Ybg速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
最終，有10篇論文出現(xiàn)在此次專(zhuān)題集中。值得一提的是，這也是國(guó)際上少有的以科學(xué)問(wèn)題為導(dǎo)向、由中國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)的《細(xì)胞》系列專(zhuān)題論文集。
從結(jié)構(gòu)向功能邁進(jìn)
近年來(lái)，隨著腦成像、空間轉(zhuǎn)錄組和人工智能（AI）等技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)大腦的認(rèn)知也不斷加深。我國(guó)學(xué)者也在模式動(dòng)物介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜繪制領(lǐng)域取得了一系列突破性成果，如發(fā)布了世界最大規(guī)模的小鼠前額葉皮層、海馬腦區(qū)投射圖譜，世界首套獼猴大腦皮層細(xì)胞空間分布圖譜，獼猴、狨猴和小鼠小腦的時(shí)空單細(xì)胞圖譜等。
孫衍剛表示，不同于以往點(diǎn)上的成果突破，本次發(fā)布的系列成果以“自主技術(shù)迭代”為牽引，共同建立起從“環(huán)路解析－進(jìn)化解密－疾病解碼”的研究體系，覆蓋爬行類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)、嚙齒類(lèi)、非人靈長(zhǎng)類(lèi)和人類(lèi)等關(guān)鍵物種，并整合了轉(zhuǎn)錄組、聯(lián)接組等多模態(tài)數(shù)據(jù)，為深入解密大腦提供了全新視角與關(guān)鍵手段。
本次新上線(xiàn)的兩篇論文為技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的突破。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授畢國(guó)強(qiáng)、劉北明領(lǐng)銜的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，基于前期開(kāi)發(fā)的同步飛掃三維顯微成像技術(shù)（VISoR），研發(fā)了blockface-VISoR系統(tǒng)。結(jié)合優(yōu)化的全身透明化流程，該系統(tǒng)可在40小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)成年小鼠全身均一亞細(xì)胞級(jí)分辨率三維成像。團(tuán)隊(duì)進(jìn)而解析了全身不同類(lèi)型周?chē)窠?jīng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和單纖維投射路徑，闡明了全身交感神經(jīng)的器官特異性伴血管分布模式。
腦智卓越中心研究員劉真團(tuán)隊(duì)、孫怡迪團(tuán)隊(duì)，臨港實(shí)驗(yàn)室研究員李昊團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)多組學(xué)增強(qiáng)子預(yù)測(cè)及在體通量功能篩選找到了與獼猴大腦特定細(xì)胞類(lèi)型相關(guān)的增強(qiáng)子，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了包含112種增強(qiáng)子的病毒載體工具集。這些病毒工具就像“精準(zhǔn)導(dǎo)彈”，能夠攜帶熒光標(biāo)記或功能蛋白，特異性地感染靈長(zhǎng)類(lèi)大腦中的特定細(xì)胞類(lèi)型。利用這些細(xì)胞特異性的靶向工具，科學(xué)家們能夠更深入地了解靈長(zhǎng)類(lèi)大腦中信息處理的機(jī)制，同時(shí)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)腦疾病的精準(zhǔn)靶向治療。
“這兩項(xiàng)技術(shù)成果，進(jìn)一步強(qiáng)化了我國(guó)腦圖譜研究的技術(shù)體系?！睂O衍剛表示，“此次發(fā)布的另外8項(xiàng)成果，也得益于過(guò)去熒光顯微光學(xué)切片斷層成像fMOST技術(shù)、時(shí)空轉(zhuǎn)錄組學(xué)Stereo-seq技術(shù)等的發(fā)展?！?span style="display:none">Ybg速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
在腦進(jìn)化和發(fā)育方面，3項(xiàng)成果分別解析了羊膜動(dòng)物腦細(xì)胞演化軌跡，建立智慧涌現(xiàn)底層機(jī)制的新研究范式；發(fā)布鼠腦成年及發(fā)育時(shí)空轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示神經(jīng)發(fā)育調(diào)控新機(jī)制；首次提出腦發(fā)育的“三級(jí)組織者”概念和下丘腦神經(jīng)元的“多譜系起源”假說(shuō)，揭示下丘腦進(jìn)化保守性。
腦聯(lián)接規(guī)律解析方面，腦智卓越中心研究員嚴(yán)軍團(tuán)隊(duì)、徐春團(tuán)隊(duì)、沈志明團(tuán)隊(duì)，華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院教授楊孝全團(tuán)隊(duì)最新上線(xiàn)的《細(xì)胞》論文中，團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的大體積獼猴全腦亞微米分辨連續(xù)精準(zhǔn)三維成像技術(shù)（LV-fMOST）和Gapr神經(jīng)元追蹤系統(tǒng)，重構(gòu)了獼猴前額葉皮層中所有主要區(qū)域的2231個(gè)投射神經(jīng)元，揭示了獼猴前額葉皮層存在“精簡(jiǎn)高效”的神經(jīng)聯(lián)接模式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、模塊化的信息處理策略，為深入解析靈長(zhǎng)類(lèi)高級(jí)認(rèn)知功能的神經(jīng)機(jī)制提供了基本框架。4月在線(xiàn)發(fā)表于《細(xì)胞》的另一項(xiàng)工作，則發(fā)現(xiàn)了獼猴屏狀核（意識(shí)關(guān)鍵腦區(qū)）具有整合全腦多模態(tài)信息的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
在腦疾病方面，一項(xiàng)研究首次繪制了阿爾茲海默?。ˋD）患者腦海馬單細(xì)胞分辨率的空間轉(zhuǎn)錄組圖譜，揭示AD早期診斷及鑒別診斷的新型生物標(biāo)志物；另一項(xiàng)研究則首次繪制小鼠腦出血后超急性期至恢復(fù)期的腦組織時(shí)空動(dòng)態(tài)細(xì)胞分子圖譜，為精準(zhǔn)干預(yù)腦出血提供了全新的治療思路。
探索建制化生命科學(xué)研究范式
在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，全球普遍遵循著相似的科研模式，即以PI（課題組長(zhǎng)）為核心開(kāi)展獨(dú)立研究，這也與學(xué)科本身高度專(zhuān)業(yè)化、快速迭代、需要自主探索的特性相符合。但在這一系列研究工作的開(kāi)展過(guò)程中，相關(guān)科學(xué)家也在探索建制化的新型科研組織模式。
孫衍剛介紹：“介觀腦圖譜研究的核心目標(biāo)為深度解析大腦結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在聯(lián)系，這一目標(biāo)兼具科學(xué)性和工程屬性，因此適合由工程化團(tuán)隊(duì)來(lái)推進(jìn)研究。”
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)在單細(xì)胞空間圖譜、高精度的顯微成像技術(shù)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)、AI算法等方面取得了系列突破，并基于這些技術(shù)建立了相應(yīng)的平臺(tái)，進(jìn)一步優(yōu)化、迭代技術(shù)的同時(shí)，提高項(xiàng)目進(jìn)展效率。當(dāng)前，中國(guó)腦圖譜研究初步形成了“技術(shù)研發(fā) - 數(shù)據(jù)采集 - 解析應(yīng)用”閉環(huán)。
此次，國(guó)內(nèi)的腦智卓越中心、華中科技大學(xué)蘇州腦空間信息研究院、華大生命科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院、鄭州大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)以及法國(guó)、瑞典、英國(guó)等多國(guó)科學(xué)家，圍繞共同的目標(biāo)進(jìn)行合作，同時(shí)結(jié)合各自?xún)?yōu)勢(shì)分工。
“在實(shí)施路徑上，我們采取‘技術(shù)研發(fā)-平臺(tái)賦能-協(xié)同攻關(guān)’的三級(jí)架構(gòu)，即前期由專(zhuān)項(xiàng)團(tuán)隊(duì)突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，中期搭建標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能力復(fù)用，后期由各課題組依托平臺(tái)資源，針對(duì)各自感興趣的問(wèn)題開(kāi)展研究。”孫衍剛說(shuō)道。
以國(guó)內(nèi)外8個(gè)研究機(jī)構(gòu)的92位科研人員協(xié)同攻關(guān)的“獼猴屏狀核的單細(xì)胞空間轉(zhuǎn)錄組圖譜及全腦聯(lián)接”研究為例。該項(xiàng)目依托于腦智卓越中心的全腦介觀神經(jīng)聯(lián)接圖譜研究平臺(tái)（非人靈長(zhǎng)類(lèi)），整合了法國(guó)衛(wèi)生與醫(yī)學(xué)研究院干細(xì)胞與腦研究所獼猴聯(lián)接組圖譜數(shù)據(jù)、華大生命科學(xué)研究院空間轉(zhuǎn)錄組技術(shù)、騰訊AI實(shí)驗(yàn)室算法算力優(yōu)勢(shì)等核心資源，逐一攻克了深入大腦核心的注射手術(shù)、多模態(tài)數(shù)據(jù)整合、準(zhǔn)確劃分屏狀核邊界等難題。
“獼猴屏狀核細(xì)胞分類(lèi)與全腦聯(lián)接圖譜”被選作《細(xì)胞》封面文章
在孫衍剛看來(lái)，平臺(tái)和數(shù)據(jù)是開(kāi)展“大兵團(tuán)”作戰(zhàn)的兩大要素。
“把不同研究中都用得上的技術(shù)進(jìn)行規(guī)?；推脚_(tái)化，能夠幫助科研人員從重復(fù)性的工作中解放出來(lái)。在應(yīng)用中出現(xiàn)的新需求和新問(wèn)題，也可以推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展迭代。”孫衍剛表示，“同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生新數(shù)據(jù)的速度越來(lái)越快，通過(guò)建立方便全球科學(xué)家共同使用的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展?！?span style="display:none">Ybg速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
“認(rèn)識(shí)腦、模擬腦、保護(hù)腦”
“當(dāng)前，很多生物科學(xué)和生物技術(shù)都是以人類(lèi)基因組為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，但最初我們僅能知道基因的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。”蒲慕明指出，腦圖譜同樣只是基礎(chǔ)，得到圖譜之后，再研究圖譜結(jié)構(gòu)對(duì)功能的影響、異常情況的原因，才能真正理解大腦，進(jìn)而推動(dòng)腦疾病的診斷、治療，以及腦機(jī)接口和類(lèi)腦計(jì)算的發(fā)展。
孫衍剛介紹，面向未來(lái)，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃將從三個(gè)方面持續(xù)發(fā)力。
首先，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃將通過(guò)構(gòu)建非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物和人腦全腦細(xì)胞、介觀聯(lián)接、亞細(xì)胞相互作用和突觸功能圖譜，開(kāi)發(fā)圖譜繪制技術(shù)、AI驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析大模型等工作，全面解析靈長(zhǎng)類(lèi)腦聯(lián)接規(guī)律，并啟迪大腦智能和意識(shí)研究。
其次，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃將依托腦圖譜研究國(guó)際聯(lián)盟，持續(xù)擴(kuò)大國(guó)際合作，積極拓展與“一帶一路”“金磚國(guó)家”等的交流合作。聯(lián)盟計(jì)劃建立腦圖譜技術(shù)共享平臺(tái)，推動(dòng)同步輻射X射線(xiàn)神經(jīng)示蹤技術(shù)、單細(xì)胞時(shí)空多組學(xué)技術(shù)、AI算法和系統(tǒng)等新技術(shù)研發(fā)。聯(lián)盟也將聯(lián)合全球科學(xué)家，加速整合大腦細(xì)胞圖譜、聯(lián)接圖譜和不同尺度或分辨率的多模態(tài)數(shù)據(jù)，建立AI輔助的數(shù)據(jù)采集、分析、解釋和驗(yàn)證手段，構(gòu)建面向全球開(kāi)放共享的“腦圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)”。
最后，腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃將進(jìn)一步解析大腦進(jìn)化的生物機(jī)制，揭示更高認(rèn)知能力起源的遺傳基礎(chǔ)，進(jìn)而助力腦疾病診治、推動(dòng)類(lèi)腦AI產(chǎn)業(yè)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)“認(rèn)識(shí)腦、模擬腦、保護(hù)腦”的目標(biāo)。
“此次發(fā)布的系列成果，展現(xiàn)了我國(guó)團(tuán)隊(duì)協(xié)同攻關(guān)的能力和成果，也增強(qiáng)了國(guó)內(nèi)外合作團(tuán)隊(duì)對(duì)腦圖譜大科學(xué)計(jì)劃成功發(fā)起的信心?！逼涯矫髦赋?，“經(jīng)過(guò)五年多的籌備，國(guó)際工作組將在今年9月與國(guó)內(nèi)工作組合作，正式成立‘國(guó)際靈長(zhǎng)類(lèi)介觀腦圖譜聯(lián)盟’。預(yù)計(jì)在未來(lái)10年內(nèi)能夠完成獼猴全腦介觀圖譜?！?span style="display:none">Ybg速刷資訊——每天刷點(diǎn)最新資訊，了解這個(gè)世界多一點(diǎn)SUSHUAPOS.COM
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.040
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.005
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.06.011
本文鏈接：10項(xiàng)成果均由中國(guó)學(xué)者牽頭！《細(xì)胞》系列發(fā)表專(zhuān)題論文集http://m.sq15.cn/show-11-23238-0.html
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