近日，中国科学技术大学与国内外多家单位合作，通过自主研发的高通量三维荧光成像VISoR技术和灵长类脑图谱绘制流程，实现了对猕猴大脑的微米级分辨率三维解析。这一研究成果于北京时间7月26日在国际学术期刊《自然·生物技术》发表。
△猕猴丘脑神经元轴突投射与追踪
大脑功能是由其近千亿个神经细胞，以及细胞之间纤细而复杂的连接来实现的。要深入理解大脑的运转机制，需要将这些精密连接结构解析出来，就像给大脑绘制一幅三维高清地图。脑图谱解析是神经科学前沿研究领域，而对灵长类动物的脑图谱解析也是中国脑计划的一个重点研究方向。神经元通过轴突纤维输送信息，如果把这些纤维类比为道路和河流，那么大脑的尺寸就相当于整个地球的大小，绘制脑图谱就像要把地面上的大小道路以及河流的大小支流都测绘出来。而且因为大脑是一个三维结构，它的内部每个地方都有跟地球表面同样错综复杂的道路河流。绘制大脑图谱就是要把这样一个复杂的三维结构进行精细分解和描绘。
目前的脑图谱研究主要集中于小鼠，国际通用的成像技术对其进行微米分辨率全脑成像通常需要数天的时间，而猕猴脑体积为鼠脑的200倍以上，要在较短时间内完成全脑成像是一项极大的挑战。为应对这一挑战，科研团队此前经过数年的攻关，研发了VISoR高速三维荧光成像技术。这一技术通过斜截面扫描照明与同步成像实现了在样品连续运动时进行无模糊的图像采集，消除了传统大样品成像需要在不同的小视野切换、停顿所带来的时间损失，数据采集速度比当前通用于小鼠脑图谱绘制的几种三维光学成像技术提升数十倍，使得猴脑图谱解析成为可能。
除了成像通量的挑战，对猕猴脑进行高分辨全脑成像还面临沟回结构复杂、组织透明度差等多方面的困难。科研团队通过一系列技术攻关和创新，最终对猕猴全脑样品在100小时内完成1微米×1微米×2.5微米三维分辨率的图像采集。项目中两只猕猴大脑图像原始数据量超过了1PB，由于数据体积庞大，团队开发了自动的三维图像拼接技术和渐进式的半自动追踪技术，实现了猕猴大脑的三维图像重建和神经元轴突纤维的长距离追踪，并在此基础上发现了前所未知的猕猴轴突纤维投射特性及其在大脑皮质沟回处转折延伸的多种路径形态
