大协作绘制猕猴“大脑地图”

 

■本报记者 张双虎

7月12日，我国一个由百余人组成的科研团队合作完成的成果在《细胞》在线发表。该研究利用我国自主研发的超高精度大视场空间转录组测序技术，成功绘制出猕猴大脑皮层的细胞类型分类树，揭示了细胞类型组成和灵长类脑区层级结构关系，为进一步研究各类神经元间的连接提供了分子细胞基础。

这个庞大的研究团队由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（以下简称脑智卓越中心）、华大生命科学研究院、临港实验室、上海脑科学与类脑研究中心、腾讯AI Lab、瑞典皇家理工学院和卡罗林斯卡医学院等单位组成。

“这项研究基于大规模单细胞核转录组和空间转录组技术，在世界上首次绘制出猕猴大脑皮层单细胞类型及其空间分布状态。”论文共同通讯作者、脑智卓越中心青年研究员孙怡迪告诉《中国科学报》，其重要性堪比20年前人类基因组计划绘制完成的DNA碱基序列。

为理解大脑功能奠定基础

理解人类大脑的结构和工作原理是自然科学最具挑战性的前沿问题之一。大脑依靠数量巨大和类型复杂的神经细胞及其神经连接网络实现各种复杂功能。而高精度全脑介观神经连接图谱是全面阐明神经系统功能、揭示大脑奥秘的必经之路。猕猴作为最接近人类的模式动物，其全脑细胞图谱绘制对了解人类大脑的结构和功能至关重要。

为此，该团队基于华大生命科学研究院自主研发超高精度大视场空间转录组测序技术，并结合任务需要，开发出猕猴大脑厘米尺度薄切片方法。通过大规模单细胞核转录组分析，团队获得了猕猴全皮层三维单细胞空间分布图谱，为系统分析细胞类型在皮层内各层级特异和区域特异的分布，以及基因表达特征提供了目前最完整的灵长类大脑数据。

据介绍，该研究发现，大量兴奋性神经元、抑制性神经元及非神经元细胞在大脑皮层中的分布呈明显的各层级及各脑区特异性。更有趣的是，视觉和躯体感觉系统的细胞类型组成与脑区层级组织间存在显著相关性，处于相同层级的脑区往往具有类似的细胞类型组成，这揭示了细胞组成和脑区结构之间的关系。

实验中，研究人员还发现，无论是体积还是细胞数量，猕猴大脑比小鼠大脑有明显扩张。小鼠大脑仅7000万个神经元，而猕猴已达60亿个。

这让研究团队好奇，随着数量的增加，灵长类动物大脑会不会出现新的细胞类型？

通过将小鼠、猕猴和人脑数据进行跨物种比较，研究团队发现，位于大脑第四层的部分兴奋性神经元只在猕猴和人脑中存在。他们进一步探究发现，这些细胞会高表达某些疾病相关基因，如语言功能障碍、神经发育不全等。

“这说明弄清脑图谱后，人们可以研究疾病和细胞类型及分布的关系。”孙怡迪说，“就像人们认识世界需要世界地图一样，搞清细胞空间的组织形式，就为理解大脑功能及脑疾病发生机制奠定了重要基础。”

该研究产生了完整的猕猴全脑皮层单细胞及空间转录组数据，为后续研究提供了重要的数据资源。目前，该数据库已实现公开共享。

中国科学院院士骆清铭评价说：“这项工作为进一步理解脑结构和功能提供了重要的基础数据库，将有助于理解脑细胞的构成以及脑疾病发生发展的原因，是具有里程碑意义的进展。”

论文审稿人认为，这项工作与新建立的数据库是宝贵的资源，未来将激发令人期待的研究。

时空芯片实验“过五关”

2021年3月，在脑智卓越中心的几间实验室里，从早到晚的忙碌是科研人员的常态。

狭小的切片室里，近10位研究者挤在一起协同操作；显微扫描室里，4台显微镜不停扫描，一幅幅图像缓缓展开；实验室楼道里，十几个手拿芯片的人穿梭在各个实验室，进行不同阶段的实验。就像一条精准高效的流水线，大家完美地按照流程一丝不苟操作着。

在时空芯片实验中，从切片到纯化结束的一轮实验需要一天半时间。实验要30多人接力完成，每人都必须全神贯注才有可能获得满意的结果。在3个月的实验中，实验人员每天要保证9小时毫不松懈，后续芯片释放和纯化组的人员往往要工作到凌晨一两点。

“时空芯片实验是我们研究的基础。”孙怡迪说，“首先要产生大规模数据，然后才能分析并最终呈现有意思的结论。”

论文共同第一作者、脑智卓越中心全脑介观神经连接图谱研究平台主任李超说：“时空芯片实验复杂，至少要过样品、切片、实验、时间、协同五道关。”

为获得高质量实验样品，时空芯片实验操作必须快而准。为此，实验人员先用鼠脑测试，每次测试后还要复盘总结经验教训，确保手法熟练后才开始正式样本取材。

切片时，切片必须保证完整不卷曲，贴到芯片上没有褶皱和气泡。因此团队需同时启用两台切片机，每20分钟切、贴好一张片子。其间，切片室里近10人必须像齿轮一样密切配合、互不干扰。共同完成切片、贴片、烤片、固定、染色、显微扫描、透化、逆转录、组织移除等流程，最终进行建库和深度测序，然后将海量数据结合染色后的显微拍片结果，统计分析细胞的基因表达情况。这要求每名实验人员都必须熟悉流程，时刻保持专注、细心。

为保证拿到稳定结果，中国科学院院士蒲慕明等人召集了多平台和研究组共同实验，整个团队在正式实验前还要进行近一个月的培训、练习和压力测试。强烈的使命感、责任心和大量的练习，最终保证了实验高质量完成。

大协作、大数据、大成果

“很少有课题需要这么多人协作完成。这确实是众志成城、共闯难关。”看到论文上线时有13位共同第一作者、9位共同通讯作者时，李超感慨说。

时空芯片实验只是该研究中基础且重要的一环，此后的工作同样充满挑战。2021年7月，第一批数据产生后，研究人员开始大规模分析。起初，面对约300T的庞大数据，分析团队压力巨大。

“处理分析工作复杂，大家又是第一次接触这么大规模的空间转录组数据，如何实现单细胞分辨率、如何注释细胞类型，此前都没人做过，也没有现成的技术方法。我们要在数据里‘找故事’，数据的存储、处理、分析，每一步都充满挑战。”孙怡迪说。

为快速准确完成数据分析，团队改进算法、整合不同组学数据并开发出多种新技术。在鉴定单细胞方面，团队创新性地利用人工智能辅助进行细胞分割，高效完成了对原位单细胞的鉴定和注释。

“这是团队攻关的胜利，就像完成很多国家重大项目一样，集结了很多优秀科学家。团队跨越多单位、多领域，依托中国自主研发的核心技术和大平台，以有组织的科研模式协同攻关。”孙怡迪说。

未来，团队还将在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能细胞分子机制等领域继续攻关，推动中国在这些领域持续产生原创性、引领性成果。