里程碑式突破！我科学家领衔发布首个灵长类大脑皮层细胞三维“地图”猕猴|大脑|地图

如果想知道中国在地球上的方位，一幅世界地图即可一目了然。一直以来，我们缺失一幅有关灵长类大脑的“地图”。它由哪些细胞组成，这些细胞的空间分布有什么规律，是脑科学的基本问题，既是国际科学前沿也是各国“脑计划”优先布局的研究热点，其重要性相当于人类基因组计划绘制完成的DNA碱基序列。

近日，我国科学家领衔106人的科研团队，利用我国自主研发、国际领先的超高精度大视场空间转录组测序技术和高通量单细胞核转录组测序技术，在国际上首次获取目前为止最完整的猕猴大脑全皮层基因表达数据，成功绘制了三维单细胞空间分布图谱，揭示了细胞类型的组成和灵长类脑区层级结构之间的关系。7月12日晚，相关研究论文在线发表于国际学术期刊《细胞》。

该研究成果由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心与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、腾讯人工智能实验室、深圳国家基因库、瑞典皇家理工学院和瑞典卡罗林斯卡医学院等单位合作完成。

【百万级别的灵长类大脑数据】

与其他物种相比，灵长类动物具有更高的认知和社会能力，同时具有更大体积的大脑和更多细胞类型。比如，啮齿类的小鼠大脑重约0.416克，有7000万神经元细胞；猕猴大脑重约87.35克，有60亿神经元细胞；人类大脑重约1508克，有860亿神经元细胞。

灵长类大脑数量巨大的神经元细胞，相互连接形成了复杂而精细的神经环路，正是这些细胞和环路的异常导致了多种脑疾病。非人灵长类动物，比如猕猴，由于进化上的相近，与人类具有95%以上的遗传物质同源性和最接近的基因背景及表型特征，是许多神经系统疾病研究最合适甚至是唯一的模型动物。

“如果能确切知道猕猴大脑的每个位置是什么类型的细胞，细胞之间是怎么连接的，就可以进一步去研究人脑的功能，更好地阐释脑疾病是如何发生的，从而去寻找药物靶点。”中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明说。

猕猴大脑神经元细胞的直径是10微米级，而现有的CT单细胞分辨率为毫米级或厘米级，因此只能识别出大脑某个区域有无异常，但无法分辨具体是哪个细胞有问题。此次研究采用了自主开发的大视野空间转录组测序技术，不仅可全覆盖猕猴的所有脑区，其亚细胞分辨率还可实现单细胞水平的空间基因表达图谱。“所谓空间，即细胞的位置信息。之前其他课题组发布过非人灵长类个别脑区的数据集，但既没有覆盖全脑区，也缺少细胞的位置信息。”论文共同通讯作者之一、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心李澄宇研究员介绍。

攻关团队还自主开发了猕猴大脑薄切片方法，采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米切片的空间基因表达数据，从而提供了目前最完整的百万级别的灵长类大脑数据。这一数据相比去年美国发布的小鼠大脑单细胞分布图谱，不仅提高了两个数量级，还增加了细胞的位置信息。

【首次发现猕猴大脑有264种类型的细胞】

此次研究有何新发现？“我们首次发现猕猴大脑有264种类型的细胞，其中兴奋性神经元占比最多，约60%到70%，其余的是抑制性神经元以及非神经元细胞。”论文共同通讯作者之一、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心青年研究员孙怡迪告诉解放日报·上观新闻记者，不同皮层的脑区有不同类型的细胞，处于相同层级的脑区往往具有相似的细胞类型。

攻关团队通过与公开发表的人脑和鼠脑的单细胞数据进行比较，发现灵长类特有的6类兴奋性神经元细胞，分布于大脑皮层第四层，并且这些细胞高度表达为与人类疾病相关的基因，比如语言功能障碍、智力发育不全等。

中国科学院院士、海南大学校长骆清铭评价此项研究，“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，“呈现了一个更全面的数据集，经过精细和新颖的分析，揭示了与灵长类皮层区域的组织和进化相关的有趣发现……并激发未来令人期待的研究。”

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，现已公开共享，有需要者可“按图索骥”。

猕猴大脑皮层细胞类型及基因表达数据库

【记者手记】

采访中，共同造就这一里程碑式突破的背后，令人印象深刻。

首先是“团队攻关”。来自17家科研院所和企业的106位科研人员，其中绝大多数是年轻人，历时两年多，开了上百次线上线下会议，论文稿就修改了几十版。尽管大家来自不同领域，但以任务为导向，众志成城，从而有了高效的产出。“在资源和人力有限的情况下，要想在脑科学国际前沿领域占有一席之地，就要集中力量办大事。”蒲慕明院士说。对此，骆清铭院士评价，“这是有组织地开展国际科研合作、实现引领性创新的范例。”

其次是人工智能与脑科学交叉结合的研究新范式。面对百万级别的猕猴大脑数据，如何处理分析？“我们一开始的分析方法比较简陋，后来引入基于人工智能的深度学习方法，并经过多次迭代，大大提高了研究的整体效率。”孙怡迪说。该研究新范式为后续研究大脑进化、发育、衰老和发病机制等提供了重要基础。

第三是攻坚克难的科学家精神。对于各国“脑计划”优先布局的这一研究热点，攻关团队一直在和时间赛跑。2021年春节前两天，欣闻华大生命科学研究院自主研发了超高精度大视场空间基因表达测序技术，蒲慕明院士带队去谈合作，双方一拍即合，当天就开始了工作。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的李超博士清晰记得，正式实验时，是乍暖还寒的3月，几十个人配合着做实验，每天最后一道程序结束时已是凌晨一两点。几平方米的切片室，七八个人各司其职；显微扫描室里，4台显微镜下一张张图像缓缓展开；楼道里，十几个手拿芯片的实验人员在各实验室穿梭。为了赶时间，大家脚步匆匆，有时还要一路小跑，就连吃饭也只能掐着点匆匆地扒上几口。如此高压力下的实验要连续五六天，为了不出错，事先经过了近一个月的培训、练习和压力测试。“大家都抱着一个信念，熟练一些，再熟练一些，每个操作都要心手相应、游刃有余。”

部分科研人员在庆祝实验顺利结束