發(fā)布時(shí)間：2023-04-20
更好地認識和理解大腦，不僅可以幫助治療腦疾病，也可以為人工智能的發(fā)展提供新思路。神經(jīng)元作為大腦中最基本的組成單元之一，它們之間的連接組成了復雜的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )構成了大腦功能的結構基礎。因而理清神經(jīng)元復雜的投射模式及其基本規律，對于理解大腦的組織結構和信息處理機制具有重要的意義。
在以往的研究中，科學(xué)家只能利用群體神經(jīng)元示蹤的技術(shù)研究大腦中不同區域的相互聯(lián)系。這樣的研究構建了大腦群體神經(jīng)元聯(lián)接圖譜的概況。隨著(zhù)研究的深入，群體神經(jīng)元聯(lián)接圖譜已不能滿(mǎn)足科研需求，而隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，借助熒光顯微斷層成像技術(shù)(fluorescence micro-optical sectioning tomography /fMOST)以及三維單神經(jīng)元重構技術(shù)，繪制更加精細的單神經(jīng)元投射圖譜成為了可能。
小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜
2022年，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓創(chuàng )新中心在國際著(zhù)名期刊Nature Neuroscience上發(fā)表了題為《小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜》的研究論文。該論文首次構建了共計6357個(gè)神經(jīng)元的小鼠前額葉皮層的單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數據庫。
通過(guò)對這些神經(jīng)元進(jìn)行形態(tài)學(xué)的分析，團隊發(fā)現小鼠前額葉皮層神經(jīng)元可以分為3個(gè)大類(lèi)。即皮層椎體束神經(jīng)元、皮層內投射神經(jīng)元、皮層丘腦束神經(jīng)元。通過(guò)對這三大類(lèi)型神經(jīng)元形態(tài)的深入分析，作者發(fā)現其可以進(jìn)一步分為64個(gè)亞型，不同亞型的神經(jīng)元往往有著(zhù)不同的胞體分布、神經(jīng)元形態(tài)和投射模式。例如，亞型53和55主要分布于前扣帶回(Anterior Cingular Area, ACA)腦區的后部且主要投射到上丘的運動(dòng)相關(guān)腦區(Superior Colliculus motor related, SCm)，而亞型54和57主要分布于ACA腦區的前部且主要投射到腦橋中央灰質(zhì)(Pontine central gray, PCG)（圖1）。
圖1. 不同的神經(jīng)元亞型存在胞體分布和投射腦區的異質(zhì)性
A． 亞型53和55以及亞型54和57的神經(jīng)元胞體在三維空間的分布。
B． 投射到SCm和PCG的神經(jīng)元在ACA腦區的分布。
C． 亞型53和55以及亞型54和57的神經(jīng)元對SCm和PCG投射的軸突形態(tài)。
借助單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數據庫，科研人員可以在單神經(jīng)元水平對神經(jīng)元的胞體位置、投射結構及規律進(jìn)行高精度的分析。目前中科院科學(xué)家已將這套數據進(jìn)行了線(xiàn)上共享，只要訪(fǎng)問(wèn)https://mouse.braindatacenter.cn/即可以對已發(fā)表的數據進(jìn)行在線(xiàn)的瀏覽和分析。神經(jīng)元之間的相互投射是大腦執行各種功能的基礎，而理清神經(jīng)元上下游的投射信息，往往是開(kāi)展神經(jīng)環(huán)路功能研究的第一步。隨著(zhù)單神經(jīng)元投射圖譜數據庫的不斷完善，單神經(jīng)元投射圖譜數據一定會(huì )成為研究中的“加速劑”，可以在課題進(jìn)展的各個(gè)階段查閱和分析單神經(jīng)元的投射譜數據庫，進(jìn)而更好地推進(jìn)課題，更好地理解腦、使用腦、保護腦。
單神經(jīng)元聯(lián)接圖譜數據庫功能簡(jiǎn)介
腦智卓越中心數據與計算中心結合科研成果，利用計算機圖形、圖像處理、計算機視覺(jué)等技術(shù)，綜合用戶(hù)交互體驗，選取WebGL融合風(fēng)格化前端套件的BS架構作為系統頂層運作方式，首次構建了共計6357個(gè)神經(jīng)元的小鼠前額葉皮層的單神經(jīng)元投射圖譜數據庫[https://mouse.digital-brain.cn/projectome/pfc]。
單神經(jīng)元投射圖譜數據庫是集神經(jīng)元swc文件、投射信息、分類(lèi)信息等數據共享于一體的可視化網(wǎng)頁(yè)平臺。該網(wǎng)站系統地展示小鼠前額葉皮層單神經(jīng)元水平的投射圖譜。其主要功能如下：
1. 便捷搜索功能：在網(wǎng)頁(yè)左側導航欄提供Neurons和Regions選項，默認顯示選項為Neurons。在Neurons頁(yè)，Query下拉框中支持選擇Anatomical region、Neuron subtype、ID等維度查詢(xún)。系統默認為Anatomical region維度，用戶(hù)可根據神經(jīng)元的胞體位置、投射情況進(jìn)行多維度組合檢索自己感興趣的神經(jīng)元，搜索返回結果將在正下方展示神經(jīng)元的編號。在返回結果中，勾選需加載的神經(jīng)元編號，點(diǎn)擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的神經(jīng)元將以不同的顏色實(shí)時(shí)渲染到3D腦空間上，并且在右側展示選中神經(jīng)元的信息，支持查看神經(jīng)元的所屬樣本與投射信息。另外，也支持按照類(lèi)型進(jìn)行檢索，并批量實(shí)時(shí)渲染到視圖中。
2. 多元化信息可視化：系統支持腦圖譜多元多維化數據可視化，除支持神經(jīng)元二維與三維信息可視化，還支持腦區模型以及二維信息實(shí)時(shí)可視化。用戶(hù)可點(diǎn)擊導航欄上的Regions 選項，支持在樹(shù)形結構上進(jìn)行勾選或者通過(guò)搜索框進(jìn)行模糊搜索。當勾選需要渲染的腦區，點(diǎn)擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的腦區信息將已豐富的顏色實(shí)時(shí)渲染到3D腦空間上，并且在右側展示選中腦區的信息。
3. 交互式圖譜可視化：在網(wǎng)頁(yè)視圖模塊，用戶(hù)可對渲染的腦區與神經(jīng)元進(jìn)行放大、縮小、拖動(dòng)、旋轉等交互式操作。同時(shí)，在視圖上方也提供便捷的圖標按鈕功能區，支持用戶(hù)在探索時(shí)靈活的切換水平面、矢狀面、冠狀面視角展示，多方向旋轉方向以及全屏展示等功能。用戶(hù)也可根據需要設置神經(jīng)元僅顯示Soma、Axon、Dendrite或者組合可視化。
4. 數據下載功能：網(wǎng)頁(yè)上已支持神經(jīng)元swc數據單個(gè)或批量下載功能。單神經(jīng)元swc下載：神經(jīng)元渲染加載到視圖中，則右側Neurons菜單欄下會(huì )展示加載的神經(jīng)元編號，點(diǎn)擊編號后面的下載的icon，可進(jìn)行單神經(jīng)元swc文件的下載；批量下載：選擇Query下拉框下的Neuron subtype，選擇PFC項目下的分類(lèi)type，如選擇“2”，再展示搜索數據結果中，勾選數據，支持勾選All進(jìn)行全量選擇，點(diǎn)擊底部的下載icon，對勾選的文件進(jìn)行打包下載，頁(yè)面彈出下載進(jìn)度條；當下載進(jìn)度100%，在用戶(hù)默認下載路徑下，可查看到以type命名的zip文件包（每個(gè)類(lèi)型下載數據包含原始數據與配準后的數據）。
5. 用戶(hù)支持：網(wǎng)頁(yè)右上角提供Getting Stared功能，可點(diǎn)擊進(jìn)行觀(guān)看用戶(hù)操作視頻，了解更多詳細的功能；為更好建立與用戶(hù)的橋梁機制，當用戶(hù)有建議或者遇到問(wèn)題時(shí)，可點(diǎn)擊Contact Us，隨時(shí)與平臺進(jìn)行聯(lián)系。
相信隨著(zhù)腦圖譜數據的廣泛使用，以及數據可視化技術(shù)的不斷提高，腦圖譜數據可視化將更有效地深入挖掘腦圖譜數據，進(jìn)而更加有效的理解大腦結構和腦網(wǎng)絡(luò )連接規則。
圖 小鼠前額葉單神經(jīng)元投射圖譜神經(jīng)元形態(tài)與信息可視化
作者 中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng )新中心 錢(qián)柳欽 焦卓磊
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