中美科研团队建成世界最大的小鼠全脑神经元数据集，包含1741个“金标准”单细胞，助力大...
source link: http://www.mittrchina.com/news/detail/9984
Go to the source link to view the article. You can view the picture content, updated content and better typesetting reading experience. If the link is broken, please click the button below to view the snapshot at that time.
在人脑中，大约有 860 亿个神经元。大脑是如何工作、如何构建的？大脑里到底有多少类不同的神经元？
正如国家会定期地进行人口普查，以了解人口数据的最新情况，对于科学家来说，探索大脑的神经结构，就是对大脑进行全面的 “普查”。
动图丨小鼠的全脑神经元（局部）（来源：BrainTell）
我们想了解大脑的结构要通过显微镜成像来实现。从分辨率级别上来看，用电子显微镜可在纳米级别观察到一些亚神经元的细微结构和神经元之间的连接。但它的问题在于只适合处理较小范围的局部脑区。
而光学显微镜的分辨率可以达到微米或亚微米级别，其可以看到神经元的整体结构。但之前全脑范围的研究更多的在线虫、果蝇等小型模式动物。小鼠级别的全脑数据量已达到 15-60 TB，这给图像的可视化技术和计算分析方法提出了更高的要求。
近日，Nature连续发 16 篇系列论文，发表了迄今为止对哺乳动物大脑最全面、最细致的地图。而小鼠全脑数据集方面，由东南大学脑科学与智能技术研究院与美国艾伦脑科学研究所牵头联合多团队，建成迄今世界最大的小鼠全脑 1741 个单细胞神经元数据集，包含来自皮层，屏状核，纹状体和丘脑等脑区神经元，并进行了神经元分型方面的研究[1]。
“我们根据投射特征和转录组特征，鉴定了11 种投射类别。”东南大学脑科学与智能技术研究院副研究员刘力娟说。
图丨相关论文（来源：Nature）
10 月 6 日，相关论文以《分子定义细胞类型中的单个神经元形态多样性》（Morphological diversity of single neurons in molecularly definedcell types）为题发表在 Nature。
全球最大、包括涵盖多种不同脑区，细胞分类最大的数据集
为什么要重建神经元呢？刘力娟表示，为了要理解大脑的结构，进一步提高对脑认知原理的认识，在此之前，必须要理解大脑系统怎么构建的，对上亿的神经元，需要有充分的采样和了解。
上海大学计算机工程与科学学院副教授、东南大学脑科学与智能技术研究院兼职研究员王宜敏解释道：“如果只看神经元的一个角（局部），不会了解整个神经元；观察到神经元的完整形态结构，对大脑工作的机理才能更好地了解。”
从目前的研究成果来看，该团队重建 1741 个小鼠脑神经元是目前全球最大、包括涵盖多种不同脑区，细胞分类最大的数据集。
图丨单细胞水平的 11 种长程投射神经元类型的形态学和投射特性（来源：Nature）
该团队希望在做出真正高通量的算法之前，先产生高精度、金标准的数据集。“ 1741 个神经元的数据集，很大程度上的意义在于它提供了高质量的数据金标准。” 王宜敏说。
该研究的终极目标是至少成像成百上千个小鼠的大脑，由于小鼠脑有上亿个神经元，最终项目至少呈现出巨量神经元，以达到对神经元不同类型的充分采样。
据介绍，该团队发展了基于人工智能的图像分割技术，正在整合到完整的数据生产管理平台系统中，后续将进一步提升数据生产的通量。
结合虚拟现实技术，三维可视化平台可以 “沉浸式” 观察大脑
传统的显示都是由二维设备呈现（如显示屏），而在该研究中，需要处理大量多维度、多通道的脑科学数据，二维显示无法充分满足其需求。并且，当前的计算设备很难一次性地将超大规模的数据载入到内存。因此，大规模多维数据管理和可视化的技术的需求显得尤为迫切。
另一方面，小鼠的全脑神经元结构比果蝇等小型动物复杂很多，特别是神经元之间非常交错，增加了对数据理解的挑战。“于是，我们想到通过虚拟现实的技术介入到神经结构的观察和标注中，使得我们可以走到‘大脑里面’沉浸式地观察。”王宜敏表示。
东南大学脑科学与智能技术研究院与上海大学王宜敏博士团队共同自主研发了三维可视化 Vaa3D-TeraVR 平台。
图丨研究人员使用三维可视化 Vaa3D-TeraVR 平台设备（来源：东南大学脑科学与智能技术研究院）
王宜敏指出，虚拟现实的技术能提供一种更直观的、近似物理世界的交互体验。“我们可以走到不同的角度，对神经元结构进行观察，能达到更加直观和高效地对数据进行可视化和交互。”
由于全脑图像的尺寸大，有些细微的信号难以捕捉，信噪比较低，有些地方很难看清楚，还可能会有一些噪声等问题。因此，首先需要对图像进行高速、高效的渲染。“我们基于深度学习技术将图像增强，帮助我们更好地做可视化，以便更好地观察。”
为进一步地观察大脑神经的局部细节，该团队还研发了一种多级别动态载入大脑数据的技术。“这相当于地图软件的功能。” 王宜敏说。
日常生活中，我们通过“地图软件”可以从国家到城市再到街道看到其全貌及细节，三维可视化 Vaa3D-TeraVR 平台也是同样的道理。先看到全脑，然后定位到想要观察的结构，再逐步地放大、动态地载入更高分辨率、更高级别的数据。这样，人们可以观察到更多小鼠大脑的细节结构。
图丨全脑神经元重建以及分析平台（来源：Nature）
在虚拟现实的环境里，该系统可以让多个用户在不同的地点，同步或异步地协作数据重建和校验。
据了解，Vaa3D-TeraVR 平台为该项目而研发，但是不会局限在此。“中国脑计划”将启动多个重大的三维图谱绘制相关的项目，该平台也将有机会继续发挥它更多的作用，并叠加新的技术以适应多样化的科研任务。
有助于揭示脑区的各项结构特征和功能，对生命科学、医学以及其他学科的类似数据有启发作用
从生物学的角度, 该研究揭示了基于分子和基因表达信息的脑神经细胞分型可以通过别的特征特别是形态特征进行更细的分类。“这意味着这些前沿生物学技术以后需要更加综合性使用，对于生命科学特别是脑的连接结构、功能机制、和复杂性研究都会产生影响。” 刘力娟说。
从数据产生和分析的角度, 本文使用了多种单细胞标记、全脑影像，特别是全套的影像大数据平台分析，提出了多种新的分析方法，对于研究全脑单细胞水平的神经环路奠定了良好的基础，并且还有助于揭示脑区的各项结构特征和功能。
从大数据管理和计算分析平台角度，该研究中使用和进一步完善了 “挖三维” PB 级多维、多模态数据大数据平台，将数据管理、可视化、数据虚拟现实和增强现实交互、数据数据配准和深度挖掘等多项功能进行整合。刘力娟认为，“这对于生命科学、医学以及其他学科的类似数据，特别是影像具有借鉴作用。”
图丨团队合影（来源：东南大学脑科学与智能技术研究院）
从计算科学与神经科学融合的角度来看脑科学的未来发展，王宜敏认为，目前，结合计算机的体系架构特点，人们已经可以对大脑的工作原理一定程度地进行借鉴，比如深度神经网络。“如果我们可以更进一步地理解大脑，那我们完全有机会设计全新的架构来做出更好的类脑智能的软硬件系统，这也许在将来会是比较大的突破。”
刘力娟认为，脑科学的发展一方面体现了人类对大脑精细结构、各类脑疾病、脑认知和脑健康等领域发展的强烈需求；另一方面也体现了对提炼和揭示大脑工作原理以及在各类人工智能应用中的巨大关注。“将来这两方面的交融会更加紧密，相关技术和成果也会相互促进。”
图丨主管意识的屏状核脑区神经元，具有高度复杂的形态结构和投射模式
那么，我们距离终极的理解人脑图谱还有多远呢？刘力娟表示，人脑图谱目前在基于分子分型方面已有很多进展。但是，基于别的关键信息，如细胞形态、电生理、连接关系、细胞发育分化和代谱、甚至突触可塑性等方面的认识还非常缺乏。因此，完成一个较完整的“人脑图谱”仍需要谨慎乐观。
中美多团队紧密合作，系统地搭建神经元重现
该研究历时 5 年，2018 年 3 月，在国内成立了“东大-艾伦脑科学联合中心”后，整个研究项目更加高效地推进。该研究系统化地搭建了端到端的神经元重建系统平台，这离不开多团队高度的交叉协作。
美国艾伦脑科学研究所曾红葵团队主要负责对小鼠的大脑进行稀疏标记工作。全脑成像的工作由华中科技大学骆清铭院士团队（现海南大学）和龚辉教授团队提供 fMOST 神经元成像技术。该技术能够对小鼠大脑进行全脑级别、在亚微米分辨率上的成像。
东南大学则承担系统化的神经元重建的工作。并且，艾伦脑科学研究所、温州医科大学团队也参与了相关工作。
东南大学和上海大学共同研发了 Vaa3D-TeraVR 平台，帮助研究人员“沉浸式”地观察神经元的三维结构，并进行结构的重建。
东南大学和安徽大学屈磊教授团队合作研发脑图像配准算法 mBrainAligner。“该技术是帮助我们在多个大脑之间进行配准，也就是说建立统一的坐标系，并且我们通过该技术发现了很多很有趣的生物学发展。” 刘力娟说。
图丨团队成员进行技术讨论（来源：东南大学脑科学与智能技术研究院）
此外，腾讯天衍实验室在数据校验方面提供了支持，它们的计算工具帮助验证了数据的准确性。
对于中国脑科学的未来发展，多位合作者均表示，希望看到国内跨单位合作越来越多，和全球的神经科学家、认知科学家以及临床脑科学脑健康工作者的连接越来越紧密。同时，与工程师更加紧密地合作，在脑科学和智能技术以及它们的交融、促进等各个方面都取得进展。
[1]、Peng, H., Xie, P., Liu, L. et al. Nature 598, 174–181(2021) https://doi.org/10.1038/s41586-021-03941-1
Recommend
About Joyk
Aggregate valuable and interesting links.
Joyk means Joy of geeK