發布時間：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展提供新思路。神經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網絡，復雜的神經網絡構成了大腦功能的結構基礎。因而理清神經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，科學家只能利用群體神經元示蹤的技術研究大腦中不同區域的相互聯系。這樣的研究構建了大腦群體神經元聯接圖譜的概況。隨著研究的深入，群體神經元聯接圖譜已不能滿足科研需求，而隨著技術的不斷進步，借助熒光顯微斷層成像技術(fluorescence micro-optical sectioning tomography /fMOST)以及三維單神經元重構技術，繪制更加精細的單神經元投射圖譜成為了可能。
小鼠前額葉單神經元投射圖譜
2022年，中國科學院腦科學與智能技術卓創新中心在國際著名期刊Nature Neuroscience上發表了題為《小鼠前額葉單神經元投射圖譜》的研究論文。該論文首次構建了共計6357個神經元的小鼠前額葉皮層的單神經元聯接圖譜數據庫。
通過對這些神經元進行形態學的分析，團隊發現小鼠前額葉皮層神經元可以分為3個大類。即皮層椎體束神經元、皮層內投射神經元、皮層丘腦束神經元。通過對這三大類型神經元形態的深入分析，作者發現其可以進一步分為64個亞型，不同亞型的神經元往往有著不同的胞體分布、神經元形態和投射模式。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相關腦區(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(Pontine central gray, PCG)（圖1）。
圖1. 不同的神經元亞型存在胞體分布和投射腦區的異質性
A． 亞型53和55以及亞型54和57的神經元胞體在三維空間的分布。
B． 投射到SCm和PCG的神經元在ACA腦區的分布。
C． 亞型53和55以及亞型54和57的神經元對SCm和PCG投射的軸突形態。
借助單神經元聯接圖譜數據庫，科研人員可以在單神經元水平對神經元的胞體位置、投射結構及規律進行高精度的分析。目前中科院科學家已將這套數據進行了線上共享，只要訪問https://mouse.braindatacenter.cn/即可以對已發表的數據進行在線的瀏覽和分析。神經元之間的相互投射是大腦執行各種功能的基礎，而理清神經元上下游的投射信息，往往是開展神經環路功能研究的第一步。隨著單神經元投射圖譜數據庫的不斷完善，單神經元投射圖譜數據一定會成為研究中的“加速劑”，可以在課題進展的各個階段查閱和分析單神經元的投射譜數據庫，進而更好地推進課題，更好地理解腦、使用腦、保護腦。
單神經元聯接圖譜數據庫功能簡介
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、計算機視覺等技術，綜合用戶交互體驗，選取WebGL融合風格化前端套件的BS架構作為系統頂層運作方式，首次構建了共計6357個神經元的小鼠前額葉皮層的單神經元投射圖譜數據庫[https://mouse.digital-brain.cn/projectome/pfc]。
單神經元投射圖譜數據庫是集神經元swc文件、投射信息、分類信息等數據共享于一體的可視化網頁平臺。該網站系統地展示小鼠前額葉皮層單神經元水平的投射圖譜。其主要功能如下：
1. 便捷搜索功能：在網頁左側導航欄提供Neurons和Regions選項，默認顯示選項為Neurons。在Neurons頁，Query下拉框中支持選擇Anatomical region、Neuron subtype、ID等維度查詢。系統默認為Anatomical region維度，用戶可根據神經元的胞體位置、投射情況進行多維度組合檢索自己感興趣的神經元，搜索返回結果將在正下方展示神經元的編號。在返回結果中，勾選需加載的神經元編號，點擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的神經元將以不同的顏色實時渲染到3D腦空間上，并且在右側展示選中神經元的信息，支持查看神經元的所屬樣本與投射信息。另外，也支持按照類型進行檢索，并批量實時渲染到視圖中。
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時可視化。用戶可點擊導航欄上的Regions 選項，支持在樹形結構上進行勾選或者通過搜索框進行模糊搜索。當勾選需要渲染的腦區，點擊底部的Add to scene按鈕后，則選中的腦區信息將已豐富的顏色實時渲染到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：在網頁視圖模塊，用戶可對渲染的腦區與神經元進行放大、縮小、拖動、旋轉等交互式操作。同時，在視圖上方也提供便捷的圖標按鈕功能區，支持用戶在探索時靈活的切換水平面、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。用戶也可根據需要設置神經元僅顯示Soma、Axon、Dendrite或者組合可視化。
4. 數據下載功能：網頁上已支持神經元swc數據單個或批量下載功能。單神經元swc下載：神經元渲染加載到視圖中，則右側Neurons菜單欄下會展示加載的神經元編號，點擊編號后面的下載的icon，可進行單神經元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進行全量選擇，點擊底部的下載icon，對勾選的文件進行打包下載，頁面彈出下載進度條；當下載進度100%，在用戶默認下載路徑下，可查看到以type命名的zip文件包（每個類型下載數據包含原始數據與配準后的數據）。
5. 用戶支持：網頁右上角提供Getting Stared功能，可點擊進行觀看用戶操作視頻，了解更多詳細的功能；為更好建立與用戶的橋梁機制，當用戶有建議或者遇到問題時，可點擊Contact Us，隨時與平臺進行聯系。
相信隨著腦圖譜數據的廣泛使用，以及數據可視化技術的不斷提高，腦圖譜數據可視化將更有效地深入挖掘腦圖譜數據，進而更加有效的理解大腦結構和腦網絡連接規則。
圖 小鼠前額葉單神經元投射圖譜神經元形態與信息可視化
作者 中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心 錢柳欽 焦卓磊
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