纳米级分辨率芯片看清大脑“森林”

3只猕猴，161张切片，4200万个脑皮层细胞，数据量超300000G。不过两年时间，迄今最完整的灵长类脑细胞图谱问世。

7月12日，这项研究成果发表于国际顶尖学术期刊《细胞》。多家单位跨学科、跨领域的106位研究人员以分工互补、高效协作的“大科学”科研攻关模式，利用华大生命科学研究院自主研发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，绘制了这张目前最完整的灵长类脑细胞“说明书”。

“绘制大脑图谱就是把大脑里所有的神经细胞和神经联接都记录下来，堪比20年前人类基因组计划绘制完成的DNA碱基序列。”论文共同第一作者、华大生命科学研究院时空组学首席科学家陈奥如此形容该图谱的重要程度。

为什么选择猕猴大脑

以猕猴为代表的非人灵长类动物，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的模型动物。猕猴大脑中有超过60亿个神经元，足够复杂，又比人脑简单，被认为是极佳的研究对象。

但了解一只猴子的大脑并非易事。“猕猴大脑高度发达，有复杂的思维和行为指令。”陈奥说，猕猴是有情感的生命，研究时要尽量减少它们能感知的痛苦，这就限制了实验方法和手段，增加了试验成本和技术难度。

大脑由哪些细胞组成、细胞的空间分布有哪些规律，是脑科学领域的未解之谜。陈奥解释：大脑里有很多神经细胞，它们通过一种叫作神经联接的方式互相沟通和协作，进而形成一个庞大又复杂的网络。

陈奥形容这个网络就像一张大脑“地图”，一旦将“地图”绘制出来，就能知晓大脑是怎样左右着我们智力、性格、情绪，甚至窥探到脑科疾病的发病机制，从而攻克它们。

小芯片如何给大脑“拍照”

猕猴脑图谱研究课题的建立时间要追溯到2017年，当时因为技术限制一直无法研究大尺寸脑切片的细胞空间图谱。这次，科学家团队通过时空组学技术采集了猕猴大脑空间转录组数据，并结合高通量单细胞核转录组测序技术获取了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞核转录组数据。

“得益于500纳米级分辨率和大视场，时空组学技术能把猕猴的大脑切成了161张厚度只有10微米（相当于头发丝直径的十分之一）的薄片，再用一种5厘米×3厘米的时空芯片对它‘拍照’。”陈奥说，这不仅能显示每个细胞的位置和形状，还能捕捉每个细胞里面的mRNA分子，这些分子是基因表达的信使，可以“告诉”我们细胞在做什么。如果将传统脑CT比喻为从远处看的森林，10微米薄片就像走进森林，看清每一片树叶和每只小动物。10微米薄片不仅可以显示大脑的细微结构和组织，如神经元、突触，还可以显示大脑的活动和功能，如神经信号、基因表达、代谢等。

多轮“拍照”后，科学家们就会把这些切片重新拼接成一个三维模型，一个精确的猕猴大脑3D转录组图谱就诞生了。“模型不仅能展示猕猴大脑的外观和结构，还能展示它的功能与活动。”陈奥说。

一“核”之差的技术升级

近年来，单细胞测序技术，尤其是单细胞转录组测序技术，因其可以同时检测单细胞几万种基因的表达，精确定义细胞的分子学状态，被广泛应用于检测新的细胞种类。高通量就是一次测序反应能产出更多的测序数据。

陈奥介绍，以往高通量单细胞转录组测序技术虽能揭示细胞之间的异质性和复杂性，但难以处理固定或死亡的细胞样本。此次采用的高通量单细胞核转录组测序技术与上述技术相比只多了个“核”字，却能克服上述局限性，因为细胞核相比于整个细胞更容易保存和提取。

“我们的技术优势是可以同时使用时空组学技术和高通量单细胞核转录组测序技术，从而获得更全面、更精细且相互验证和补充的生命分子信息。”陈奥说。

猕猴大脑细胞图谱的绘制还仅仅是第一步，它只能告诉我们大脑里存在哪些细胞，却不能告诉我们，他们是如何相互联系和协作的。

在陈奥眼中，这就好比一部需要不断解读的“天书”。“我们还需对不同脑功能区的细胞进行更详细的研究，比较个体之间、健康与病患细胞间的差异，绘制大脑细胞的联接图谱和功能图谱，真正深入‘走进’这片大脑的‘森林’。”