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

中國科學家重建的小鼠前額皮層神經元

1. 稀疏標記

大腦內神經元眾多且相互纏繞，從中區(qū)分出單神經元的完整結構是個難題。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合，能夠只“點亮”特定區(qū)域、特定類型的單個神經元，從而幫助科學家們看到神經元的全貌。

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)據就可以達到TB級別，有力地考驗了科學家們的數(shù)據處理、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. 神經元重建

從海量鼠腦切片圖像中識別并恢復神經元信號，就可以重建出單個神經元的完整形態(tài)。利用這一套技術方法，科學家們相繼重建出了果蠅大腦所有神經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個神經元。

40萬億像素的果蠅大腦三維重建