人类首张详细的人脑3D全景地图来了 |【经纬低调出品】

2024-07-17 04:07

人脑是人体最精密最复杂的器官。人类的大脑有860亿个神经元，而每个神经元平均与7000个神经突触连接。如此算来，大脑大概有600万亿神经突触连接。想要绘制一幅大脑的3D全景图，难度不亚于精准画出银河系中的所有星星。

但是，无论是科学家还是医生，想要理解人脑功能、脑损伤病因和脑疾病影响都需要详细绘制脑细胞的解剖和分子结构及其全脑连接图谱，但目前缺乏能捕获细胞多尺度、多组学特性及其全脑连接的技术，一直是业界需要攻克的难题。

不久前，这个诸多神经科学家梦寐以求的全景图终于来了。《Science》杂志发表了一项研究，美国麻省理工学院科研团队公布了一个完全集成的可扩展技术平台，通过同时绘制来自同一个完整人脑的细胞的全脑结构和高维特征，包括空间、分子、形态、微环境、纳米和连接信息等特征，最后以亚细胞分辨率，对两个捐赠者（一个患有阿尔茨海默病，另一个没有）的大脑半球，实现了完整三维细胞成像。

什么是亚细胞分辨率？亚细胞是比细胞结构更细化的结构，一般是电子显微镜（EMs）下才可见的细胞结构如线粒体，中心体，高尔基体，细胞壁上的纹孔等。亚细胞分辨率意味着，这个平台的分辨率已经精确到可以看清大脑中的单个突触。

点看一张大脑全景图，人体中最复杂的事物仿佛变成了一个璀璨星河。这篇文章将深入拆解绘制高精度“大脑地图”具体分几步？除了麻省理工团队，谷歌震撼发布的纳米级人脑图谱，将如何加速人类大脑研究进度？对人类大脑重建的研究，有何意义？以下，Enjoy：

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切片、处理、成像，人脑绘图三步走

要深入了解一颗完整的人脑，并清楚知道其复杂有序的内部结构是件十分困难的事情。为此，麻省理工学院的研究团队开发了一种整合平台，能够同时获取人脑细胞的空间、分子、形态和连接信息。这项技术包括三个核心部分：高精度切片的振动切片机（MEGAtome）、用于多重多尺度成像的高分子水凝胶组织处理技术（mELAST）和三维连接性重建的计算管道（UNSLICE）。

平台的工作流程包括切片、处理、标记、成像和计算拼接人类大脑组织。在磁共振(MR)成像之后，使用MEGAtome将人脑半球切成毫米厚的块。这些块经过处理并转化为mELAST组织水凝胶。坚韧、弹性且可调节大小的mELAST组织水凝胶，经过多轮标记和多尺度成像，以提取高维特征。从切割的人脑组织获得的图像使用UNSLICE管道进行计算性重整，以实现多级连接映射。

1. MEGAtome：高精度切片技术

MEGAtome是一种将完整的人脑半球切成细致的装置，不会对其造成任何损害。

传统的振动切片机（如徕卡VT1200）仅限于小样本，并且经常导致组织损伤。此外，由于其刀片振动速度有限和较大的刀片面外振动，切割表面常常遭受磨损、撕裂和变形。

为了解决这些限制，麻省理工学院的研究团队开发了一种高度通用的振动刀——MEGAtome（机械增强的大尺寸无磨损振动刀）。它能够对各种生物样本进行超精密切片，从小器官到完整的人类大脑半球和大型动物器官阵列。同时，MEGAtome能够实现高频刀片振动，振幅增加，面外振动位移低，而这些均得益于多自由度（multi - degree of）系统对刀片振动控制的优化。

为了最小化平面外寄生叶片振动，研究人员采用柔性系列设计增加了系统的平面外刚度。实验过程中，研究人员通过切片大的人小脑组织（36 mm x 45 mm x 20 mm）并测量其表面轮廓，发现MEGAtome产生了具有出色表面均匀性的完整切片，保留了精细的组织架构。最后，MEGAtome成功地将整个人类大脑半球切片，并在8小时内生成40个连续的4毫米厚的板。

值得注意的是，MEGAtome不适合切片硬样品，如骨、石蜡包埋或冷冻样品，因为它们的高样品阻力会破坏刀片振动精度。

2.mELAST：高分子水凝胶组织处理

大脑完成切片后，化学团队开发的mELAST的组织凝胶技术，可以将组织样本转化为水凝胶，可以使大脑切片变得坚不可摧，让每个切片清晰、灵活、耐用和扩展，同时保留内源性生物分子和细胞结构，并能够进行重复的标记。

这种水凝胶是弹性的、热化学稳定的，并且能够可逆地扩展。mELAST处理后的组织水凝胶能够在水或磷酸盐缓冲液（PBS）中实现线性扩展，论文中提到实现了4.5倍的线性扩展，同时保持组织的弹性、完整性和耐久性。

同时，实验过程中，mELAST成功地保留了蛋白质表位，并且在周期性压缩或组织膨胀期间没有结构或分子信息丢失。此外，mELAST技术还允许使用单一实验步骤对厚组织进行多轮染色，每次染色和成像后，组织可以完全去除抗体并重新染色，这使得使用相同条件对不同抗体进行统一染色成为可能，无需额外优化。

因此，mELAST处理后的组织可以进行多尺度成像，从宏观到微观层面捕获不同的生物学信息。这包括大脑的广泛结构、细胞和亚细胞特征。这对于深入理解组织结构和功能，尤其是在神经科学和疾病研究领域，具有重要意义。

3.UNSLICE：三维连接性重建

在对每块板进行成像后，剩下的任务是通过计算恢复整个脑半球的完整图像。

当前的计算重建方法通常适用于薄的、未变形的或侧向小的组织切片，不适用于大型的、经过大量处理的人脑平板级图像。大型哺乳动物组织的其他方法还没有实现以单纤维分辨率精确重建人脑组织中密集免疫标记的神经突起。

为了实现厚组织体积的精确多尺度重建，研究人员开发了一个名为UNSLICE的计算管道，即通过相互连接的切割纤维端点，链接统一相邻的切片组织，它在宏观、中观（血管）和微尺度（轴突）水平上准确地对齐解剖特征。

用于2D图像配准是基于强度或特征的配准方法，但该实验中的厚组织因变形而无法扩展到大、厚和高度加工组织的板间配准，则需要更相关和可靠的特征。为此，UNSLICE利用脉管系统的荧光标记来匹配切割表面的血管端点，以定义平滑的变形场。

在中间或“中层”尺度上，UNSLICE通过算法追踪从相邻层进入一层的血管并匹配它们。但它也需要一种更精细的方法。为了进一步记录这些板，研究小组特意用不同的颜色标记了相邻的神经轴突（如电气装置中的电线），这使得UNSLICE能够根据追踪轴突来匹配各层。

通过以迭代和并行化的方式结合手动操作的方式，将变形初始化的对应关系以及自动化的血管端点进行匹配，用户可以灵活选择精度水平。UNSLICE的成功应用展示了管线在大规模人体器官组织的蛋白质组学和项目组学分析方面的可扩展性。

通过上述的MEGAtome的振动式切片机、mELAST的组织凝胶技术、UNSLICE计算管道实现了对脑组织切片、处理和成像，最终可以对人类大脑半球进行完整成像，分辨率甚至精细到单个突触。

更为惊人的是，该平台想要完成脑半球成像只需100小时，速度远远超过以往的几个月。这意味着科学家可短时间创建更多样本，同时可以使用同一个大脑对问题进行综合探索，而不必观察不同大脑中的不同现象后再构建综合图像。

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阿尔茨海默病中的人类大脑组织有何不同？

如果科学家有一张高精度的大脑地图，是不是可以按图索骥，攻克阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、精神分裂症等疑难杂症了呢？

在本次研究中，研究人员尝试着观察了阿尔茨海默病患者的大脑，看看究竟有何不同？麻省理工学院团队对比了来自两位捐赠者的人类大脑组织的分子和结构细节：捐赠者1是一位未痴呆的对照组（一位61岁女性），捐赠者2患有阿尔茨海默病（AD）引起的痴呆（一位88岁女性）。

研究人员先使用MEGAtome切割两位捐赠者的大脑半球，并获得了相同神经解剖学水平的完整冠状板。

研究中，他们对两名捐献者的大脑半球进行了精细处理、丰富标记和清晰成像。经过3D细胞表型分析算法，整个样本的细胞分析结果显示，在对照组中有7,464,727个NeuN+细胞，在而AD（阿尔茨海默病）捐赠者大脑有2,890,858个NeuN+细胞。与对照组相比，阿尔茨海默病中的NeuN+细胞密度降低了46.5%（13.0×10^3/mm^3对比24.3×10^3/mm^3），这一损失比以往报告（22%至40%）更为严重。

在对照组中，没有观察到NeuN+细胞密度的区域差异，而阿尔茨海默病的样本扣带回（cingulate gyrus, CgG）和眶回（orbital gyrus, OrG）的NeuN+细胞密度比其他脑区要低。

随后，研究人员进一步调查了高神经元丢失区域的细胞和分子变化，特别是来自OrG（眶回）的眶额皮层（OFC）。OFC是一个前额皮层区域，以其在高阶认知任务中的作用而闻名，例如决策制定，在AD（阿尔茨海默病）的晚期，其连接性会受到损害。

实验观察发现，AD与对照组相比，在病理相关蛋白，即淀粉样蛋白b（Ab）和磷酸化tau（pTau），以及星形胶质细胞（GFAP）的分布模式上有明显差异。在AD样本中，已知包围pTau+神经纤维缠结的AD老年斑块在整个皮层区域密集分布，与对照组中主要在第三层定位且pTau+缠结很少形成鲜明对比。并且AD邻近层星形胶质细胞的密度较低，它们的突起只延伸到第二层和第三层的边界。他们还观察到，由于神经炎症，AD中星形胶质细胞的数量异常增加。

在神经元纤维方面，AD患者的纤维取向发生了改变，主要为正交取向，且在所有皮质层中分布相似，而对转组有有平行、正交和斜向等多种取向；AD患者的轴突、髓鞘、突触等发生了病变。

实验人员通过观察发现，AD患者大脑在细胞数量、细胞类型、分子分布以及神经结构等多方面与普通人的大脑存在明显差异，这些差异体现了AD的多种病理特征。根据上述两个样本，该团队并没有办法给出任何关于阿尔茨海默病性质的结论，但这项研究实现了一大突破，人类现在有能力对整个人脑半球进行全面成像和深入分析。

该研究目前尚未呈现出全部大脑的图谱，但他们为科学家提供了一个途径，去了解大脑每个细胞的独有特性和细胞外分子之间的亚细胞结构簇。这为大脑宇宙研究提供了更先进的工具和思路，更有望开启脑科学研究的盛宴。

值得一提的是，该技术不仅适用于大脑，还适用于身体其他组织，这将极大促进科学家对人体器官功能和疾病机制的理解。

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人脑研究进入纳米级时代

人类进入无人之境离不开导航，科学家想探访科学领域的无人区“人脑”自然也需要“地图”。

为了绘制完整的人类大脑图谱，自2013 年开始，美国国立卫生研究院开启了“美国脑计划”项目——大脑细胞普查网络联盟（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative-Cell Census Network，BICCN），旨在用前沿技术对小鼠、非人灵长类动物和人类大脑的细胞类型进行识别和分类，并针对特定细胞类型开发新的遗传工具。

2023 年，BICCN 的合作单位在 Science 及其子刊齐发 21 篇论文，报道了该计划中人类大脑相关的首部分结果。《科学》杂志高级编辑Mattia Maroso当时曾这样评论：“人脑研究的细胞时代正在叩响我们的大门！"

这计划是为神经生物学领域提供“大脑地图”，最终到指导治疗人类脑疾病。那么，地图自然越精准越好。就在麻省理工发布上述研究的前一个月，谷歌团队联手哈佛在AI的加持下，发布了纳米级人脑图谱，也登上了Science。

该实验从一位45岁女性癫痫患者的颞叶皮层提取了组织样本，大小约为1立方毫米。经过切片、显微成像得到了总大小约1.4PB的原始二维图像数据。接下来，研究者使用计算工具对这些二维图像进行了拼接、对齐，并重建出三维的体素数据。

他们重建了数千个神经元，超过一亿个突触连接，以及构成人类大脑物质的所有其他组织元素，包括胶质细胞、血管和髓磷脂。同时，他们还使用机器学习模型对突触位置进行自动识别，以及区分兴奋性、抑制性突触。

最终，团队成功在纳米级别建模出了1立方毫米的脑组织，包含5万多个细胞核1.5亿突触，以及其间230毫米的超细静脉，生动展示了一块大约半米粒大小的人类颞叶皮层中的每个细胞及其神经连接网络。

因此，他们得到了有史以来分辨率最高、数据量最大的关于人脑结构的数据集。该研究涉及了1立方毫米的人脑组织，产生的数据量却高达1.4PB。1立方毫米体积的脑组织中包含了5.7万细胞和1.5亿突触，而整个大脑中的突触数量更是高达千万亿。如果算来，所有整个互联网上的服务器都拿过来，只能存储下9个人脑，数据量惊人。