想徹底讀懂人類大腦，需要了解神經元的基因表達和形態聯接如何共同塑造神經元多種多樣的功能，并構筑大腦的功能神經網絡。過去神經元的分子、結構和功能這三類數據只能分開檢測，長期存在技術壁壘。近日，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王凱研究團隊和徐圣進研究團隊聯合攻克這一世界級難題，實現全球首次同一神經元三模態完整解析，相關成果于6月18日在國際學術期刊《細胞》發表。

　　大腦里負責傳遞信號的最小單位是神經元，搞清楚大腦運作、攻克腦病，必須搞懂每一個神經元三件事：

　　一是功能，也就是細胞響應外界刺激、處理內部信息的動態活動；

　　二是結構，細胞長什么模樣、和其他神經細胞如何連線；

　　三是分子，細胞內部的基因表達和蛋白質組成。

　　長久以來，全球神經科學研究都面臨一大痛點：沒有技術能在同一個細胞上檢測出三類信息。不同檢測設備、實驗流程互不兼容，功能、結構、基因數據各自獨立，形成一座座“數據孤島”。各國腦科學計劃積累了海量單模態數據，這些數據在理解神經元單模態特性時都發揮了巨大的作用，但缺乏同一個神經元上的對應關系，無法開展對比分析和聯合解析。此前全球僅報道了能實現兩類信息合并檢測的新技術，三類信息同步解析一直是難以突破的技術難題。

　　我國科研團隊自主打造了全新的多模態解析平臺IMC，打通了從活體觀測到基因檢測的完整實驗流程，實現世界首次同一神經元功能、結構、分子三維度高精度同步解析。整套平臺依靠兩項自主研發、擁有專利的核心技術支撐：

　　高分辨率多平面并行化雙光子顯微鏡，不用切割腦組織就能完整復原神經元全腦連線；

　　雙色膨脹熒光原位雜交技術，能精準定位細胞內基因分子，單次可同時檢測6種基因。

　　整套實驗分為三步完成：先在清醒小鼠大腦內實時記錄神經元對畫面、面部動作的實時反應；隨后完整復原同一細胞遍布全腦的神經纖維網絡；最后精準捕捉細胞內部全部基因分布與含量。三步操作全程保留細胞空間位置，數據可精準匹配對齊。

　　依托這套平臺，科研人員已完成上百個神經元完整三模態數據采集，收獲多項全新發現。對比單一維度數據，同時結合細胞外形與基因信息，能更精準預判神經元的信號反應。研究還發現，基因在細胞內的分布位置，也是區分不同神經細胞的關鍵標識。

　　科研團隊還新發現一類從未被完整定義的興奮性神經元亞型，這類細胞同時表達抑制性神經元的特征分子，對視覺刺激有特殊的響應特性，刷新了學界對神經細胞分型的固有認知。

　　據介紹，通過這套國產多模態解析平臺IMC平臺，今后科研人員可完整追蹤單一神經細胞從基因、外形到活動狀態的完整變化，既能用于解密大腦基礎運算邏輯，也能深挖阿爾茨海默病等腦部疾病背后的細胞病變根源。同時，科研團隊實驗產出的同源三維數據，還能成為腦科學、類腦人工智能研究的標準參照數據庫。這項研究補齊了全球腦計劃缺失的關鍵實驗工具，為繪制完整大腦圖譜、研發腦病靶向干預手段提供了重要技術支撐。

　　(總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉)