中国落成工业级高通量脑成像设施，或将改变神经科学发展方式
2017-08-18 David Cyranoski Nature自然科研
华中科技大学（苏州）脑空间信息技术研究院启动在即，旨在使工业级高分辨率脑图成为神经科学的标准工具。
华中科技大学（苏州）脑空间信息技术研究院启动在即，旨在使工业级高分辨率脑图成为神经科学的标准工具。
为了绘制“千回百转”的大脑神经元回路，神经科学家们可谓煞费苦心，不过很快他们将看到本领域发展至工业级规模。据开发人员介绍，下个月，一台能转化高分辨率脑图的大型设施将在苏州启动。
典型的实验室可能只使用一套或两套脑成像系统，而这一新设施拥有50台自动化机器，可以快速切割小鼠大脑，捕捉每个切片的高分辨率图像，并将其重构成3D图像。美国艾伦脑科学研究所的分子生物学专家曾红葵认为这样的工业级设施将“大大加快进度”。她说：“工业级大规模、标准化数据生成将改变神经科学的发展方式。”
这张重构图像显示了长程神经元横穿小鼠大脑的情况。
NASA
这一新设施名为华中科技大学（苏州）脑空间信息技术研究院，由华中科技大学生物医学成像研究者骆清铭领导。该研究院拥有长达5年、高达人民币4.5亿元的预算，未来将聘用120名左右的科学家和技术人员。骆清铭表示，研究院还将绘制人类脑图，并计划成为一个国际性研究中心，帮助研究人员绘制神经元连接图谱，其应用领域包括阿尔茨海默病研究和受大脑启发的人工智能项目等。骆清铭自称为一个“脑空间信息学家”，并建立了该研究院的高速脑成像系统。
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“肯定会有巨大的需求，”纽约冷泉港实验室的神经科学家Josh Huang说。他也在和该研究院合作，他认为获取高通量、快速成像脑图有望改变神经科学家对大脑神经元连接情况的认识，就像高通量测序帮助遗传学家在21世纪初解密人类基因组一样。他说：“这将对绘制多种物种的细胞分辨率脑图产生重大影响。”
哺乳动物的大脑有数以百万计的细胞，人类的大脑甚至有数十亿。这些细胞大约分为10000种不同的类型，各自形状不同，大小不同，表达的基因也不同。神经科学家希望通过绘制出它们的结构及相互作用，来认清它们的功能。德国莱布尼茨神经生物学研究所的脑成像研究人员Jürgen Goldschmidt表示，通过比较多个大脑的特定类型神经元，科学家也许能够鉴定某疾病或后天习得行为对细胞结构的影响。
但是，这样的图谱通常需要花费数月或数年的时间才能完成。在这个过程中，研究人员需要使用金刚石刀片将几厘米长的小鼠大脑切成15,000个超薄切片，再用化学物质或荧光标签对每个切片进行标记以凸显特定特征，然后用显微镜对每一层进行成像，最后将图像重构成3D图谱。
高速绘制图谱
华中科技大学（苏州）脑空间信息技术研究院正好可以在这方面大显身手。合作者说，研究院拥有数量众多的机器，其速度和分辨率令人惊叹。据曾红葵介绍，这些设备在两个星期内可以收集到的小鼠大脑细节信息，如果换成其它技术，如共焦超高分辨成像，可能要花上几个月的时间。
今年2月，在美国马里兰州贝塞斯达举行的美国“推进创新神经技术脑研究计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies）会议上，与会者看到了一张包裹小鼠大脑的单个神经元的图像，亲眼目睹了该技术的实力。艾伦研究所的神经科学家Christof Koch与骆清铭的小组合作完成了这项工作，Koch认为该神经元的广泛覆盖面表明它在协调大脑的输入和输出以形成意识方面发挥了作用。
华中科技大学（苏州）脑空间信息技术研究院将生成大量数据：骆清铭说每个小鼠脑图都有8 TB。但人脑的体积是小鼠大脑的近1500倍；以研究院目前的速度来看，一台单机大约需要20年的时间才能对人脑进行数字重构。骆清铭计划提高机器的速度，同时并行使用多台设备。
骆清铭期待全球合作；除艾伦研究所和冷泉港实验室之外，斯坦福大学也正与研究院筹划建立合作关系。但是骆清铭表示，虽然外界表达了浓厚的兴趣，但是研究院无法满足每个人的需求。“我们已经在婉拒别人了。”
作者：David Cyranoski
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