💡这项突破是什么?
大脑中的神经纤维连接，是认知和行为活动的结构基础，但其精细结构至今尚未完全解析。现有研究方法各有局限：毫米级扩散磁共振覆盖范围大、效率高，分辨率却有限；微米级光学成像（如病毒示踪）虽能观察神经元等精细结构，却难以实现整脑范围的重建。如何在“高通量”与“高分辨率”之间找到有效技术桥梁，是脑连接研究的重要挑战。
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11月3日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院徐放、肖彦洋、毕国强团队，联合中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘赐融等研究团队在Nature Methods在线发表题为"Whole-brain reconstruction of fiber tracts based on cytoarchitectonic organization"的研究论文。研究提出了一种基于细胞结构方向信息解析脑内神经纤维走向的新方法CABLE（cytoarchitecture-based link estimation），实现了在灵长类动物乃至人类脑组织中以细胞尺度完整重建全脑三维神经纤维通路。该方法突破了传统扩散磁共振成像在毫米级分辨率下精度的局限，同时规避了轴突病毒示踪通量低、难以整脑应用的瓶颈，为高精度脑连接图谱构建提供了新的技术路径。
研究人员发现，在尼氏染色等常规组织学染色下，神经细胞与胶质细胞的胞体和细胞核呈椭球形，其长轴指向并非随机，而是具有局部的一致性（视频1），研究人员称之为细胞构筑朝向一致性（cytoarchitectonic orientation coherence）。进一步研究发现通过空间转录组、抗体染色等方法标记的不同细胞类型（包括不同类型的神经细胞与胶质细胞），均具有细胞构筑朝向一致性。这种细胞朝向与邻近纤维束的走向一致，就像玻璃上的雨滴沿重力和气流的方向被拉长一样（图1）。CABLE技术通过计算图像梯度来提取这种细胞结构的方向性，再利用球面反卷积得到方向分布函数，进而利用dMRI中常用的纤维示踪算法（tractography）实现三维纤维追踪，从普通组织染色图像中反推出纤维结构网络（图2）。这种方法不依赖转基因或病毒标记，具有跨物种、跨平台的扩展能力。相较于基于水分子在轴突纤维中的扩散各向异性建立的弥散磁共振成像（dMRI）技术、基于髓鞘光学偏振各向异性建立的偏振光成像技术（PLI），此工作中基于细胞构筑朝向各向异性建立的CABLE技术具有更高的三维空间分辨率。
视频1. 猕猴全脑三维细胞构筑图像
图1. 车窗上的雨滴受重力（上下）和气流（左右）的影响表现出形态的方向性
图2. 左侧是尼氏染色的猕猴脑切片，右侧是尼氏染色经过CABLE计算得到的纤维图像（颜色编码表示不同方向：红色代表左右向，绿色代表前后向，蓝色代表上下向）
针对灵长类大脑，研究团队基于前期建立的SMART图谱绘制技术体系（Xu et al., Nature Biotechnology 2021），先对全脑进行300 μm厚片切割、透明化和DAPI/Nissl染色，再通过VISoR成像获取全脑三维数据，随后进行图像拼接和细胞构筑朝向计算，实现纤维追踪。结果显示，无论白质还是灰质区域，细胞排布都存在稳定指向性，与已知纤维方向高度一致，并且能够解析dMRI等技术中难以分辨的交叉纤维与弯折纤维（图3），并通过病毒示踪取得的轴突“金标准”数据进行精度验证。在新生儿缺氧缺血性脑病（HIE）样本中，CABLE还识别出胼胝体纤维异常，显示出临床病理研究潜力。
图3. 纤维密集区域的放大图显示，椭球形的细胞核（DAPI，绿色）在组织内呈条索状排布，其主方向与邻近轴突（白色）的走向基本一致
视频2. 利用CABLE技术可实现狨猴全脑神经纤维束高分辨率追踪
神经纤维束由大量轴突按特定方向集束组成，既是连接不同脑区、实现信息传递的关键通路，也是神经系统完成感觉、运动、认知等功能的结构基础，承载了我们的“意识”（图4）。神经纤维束结构一旦受损，如在中风、脑外伤、脊髓损伤、阿尔茨海默病或精神疾病中常见，其连接功能也会受到影响。因此，高分辨率解析纤维束结构不仅是理解脑网络组织规律的重要前提，也对临床诊断与神经康复策略的发展具有基础价值。
该工作在基于病毒示踪的神经元形态重建、基于弥散磁共振成像的纤维束重建技术等介观连接图谱技术体系之外，另辟蹊径，发现并利用了细胞构筑朝向与排布的内在各向异性，建立了细胞尺度的全脑神经纤维重建技术CABLE，在解析复杂纤维结构方面优于传统的离体dMRI，同时突破了病毒示踪的低通量和物种限制，提供了一条高精度、高通量构建脑连接图谱的新路径。该方法未来有望应用于精神疾病研究中，为人脑连接组学开启新的篇章。
图4. 以CABLE技术绘制的神经纤维束为蓝本创作的《流动的意识》被深圳科学技术馆选为永久展项展出
深圳先进院/深圳理工大学徐放副研究员、中国科学院脑智卓越中心刘赐融研究员、深圳先进院肖彦洋副研究员、中国科学技术大学/深圳先进院毕国强教授为论文共同通讯作者。深圳先进院博士生张越、中国科学院脑智卓越中心博士生宋韬、深圳先进院博士后杨朝宇为论文共同第一作者，深圳先进院为第一完成单位。深圳先进院周鹏程副研究员、刘北明教授、谭力铭研究员提供了重要学术支持，深圳先进院沈燕、杨逸、胡晓炜、赵如彬、王卫博、贾春云和刘洋在工作中作出了重要贡献。中国科学院脑智卓越中心蒲慕明研究员、中国科学院昆明动物研究所胡新天研究员、安徽医科大学第一附属医院周江宁教授、中国科学技术大学王浩研究员、安徽省儿童医院黄会芝教授等学者提供了重要学术支持。科技创新2030—重大项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划、深圳市科技计划、深圳市医学研究专项基金及中国科学院青年创新促进会等项目为该工作提供了资助。
深港脑科学创新研究院
深港脑院是深圳首个深港两地共同建设的基础研究机构，由深圳先进院和香港科技大学牵头，联合南方科技大学、深圳大学、北京大学深圳研究生院等单位共同建设。香港科技大学校长叶玉如院士担任名誉院长，深圳先进院脑所所长王立平研究员担任院长。
深港脑院以国家重大需求和创新驱动发展为导向，核心目标是解析大脑基本原理和脑疾病发病机制，并以多物种动物模型及脑结构和脑功能图谱解析为核心任务。为此，研究院重点布局了“认知的神经基础”、“重大脑疾病机理”、“重大脑疾病诊疗策略”和“脑科学研究新技术方法”四个研究方向。在紧密对接国家重大战略任务的同时，研究院通过设立多个专业化研究中心完善科研布局，涵盖脑图谱、脑智能、脑疾病、脑信息、脑转化研究中心及诺奖实验室等。其中，“内尔神经可塑性诺奖实验室”为深圳市首个神经科学领域的诺奖实验室。
自建设以来，深港脑院汇聚了一支梯队合理的高水平人才队伍，涵盖诺贝尔奖得主、发达国家院士、重点部署方向的国内外领域领军人才及海外优秀青年人才等，核心骨干人才共计90余位，团队总规模近1100人。
在六年建设周期内，研究团队取得丰硕成果：发表SCI论文超900篇，其中含Nature、Cell、Neuron、Nature Reviews Neuroscience 等顶级期刊论文，IF≥10 的高水平论文约150篇；建立基于机体整体观的神经系统与全身多脏器相互调控研究架构，引领国内该领域发展；构建从神经环路示踪、功能调控到本能行为学精准分析的原创性研究技术开发与应用体系，承担多项国家脑计划项目；在本能行为、时空感知、情绪调节、药物成瘾、疼痛等领域的环路解析与干预研究中，取得多项国际原创性成果；成功建立首个精准模拟家族性阿尔茨海默症（AD）基因突变的猕猴模型，绘制世界首例猕猴亚细胞尺度长程投射的介观大脑连接图谱，提出帕金森病新型精准神经环路干预技术。其中，香港科技大学与深圳先进院联合开展的研究成果表现突出：“新型全脑基因编辑系统治疗阿尔茨海默症”入选2021年度“中国神经科学重大进展”，“帕金森病新型神经调控疗法”入选2023 年度“中国生命科学十大进展”，成为粤港澳大湾区获得该系列奖项的代表性项目。
此外，深港脑院团队在产业转化方面累计申请专利1000余项，获授权专利200余项，成功孵化中科华意、微灵医疗、布林凯斯等聚焦脑机接口、神经系统疾病研究与治疗技术开发的高科技企业。
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来源｜脑 所
责编｜余 融
审校｜余 融、赵梓杉、冯 春
