第四屆“創(chuàng)意光電”科普大賽參賽作品展示（32）: 2022大腦漫游指南

2022大腦漫游指南

參賽者：朱天放

簡介：

你知道意識是如何產(chǎn)生的嗎？大腦是產(chǎn)生意識的主要器官，神經(jīng)元是大腦基本的信號處理單位。想要弄清楚意識如何產(chǎn)生，就必須排查出大腦中所有神經(jīng)元的形態(tài)、位置以及它們之間的連接關(guān)系。二十世紀的科學家們只能在二維層面觀察若干神經(jīng)元的平面結(jié)構(gòu)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當代神經(jīng)科學家們能夠在三維腦空間中同時觀察上千個神經(jīng)元的形態(tài)，這得益于一種融合了“標記”、“成像”與“重建”的技術(shù)手段。

中國科學家重建的小鼠前額皮層神經(jīng)元

1. 稀疏標記

大腦內(nèi)神經(jīng)元眾多且相互纏繞，從中區(qū)分出單神經(jīng)元的完整結(jié)構(gòu)是個難題。生物學家們研制出了一種基于病毒載體的稀疏標記方法，利用病毒的特異性結(jié)合，能夠只“點亮”特定區(qū)域、特定類型的單個神經(jīng)元，從而幫助科學家們看到神經(jīng)元的全貌。

2. 切片成像

對于稀疏標記好的腦樣本（例如鼠腦樣本），借助斷層成像系統(tǒng)對且進行切片成像，可以得到一系列空間連續(xù)的鼠腦圖像。在亞微米分辨率，一套鼠腦成像數(shù)據(jù)就可以達到TB級別，有力地考驗了科學家們的數(shù)據(jù)處理、存儲能力。

左：顯微切片斷層成像系統(tǒng)；右：一種鼠腦切片圖像

3. 神經(jīng)元重建

從海量鼠腦切片圖像中識別并恢復(fù)神經(jīng)元信號，就可以重建出單個神經(jīng)元的完整形態(tài)。利用這一套技術(shù)方法，科學家們相繼重建出了果蠅大腦所有神經(jīng)元和五十萬立方微米大小的小鼠大腦。2022年，中國科學家們成功重建了小鼠前額皮層的6357個神經(jīng)元。

40萬億像素的果蠅大腦三維重建