中国科学家发布大脑“高清地图”，冲击智慧产生之谜

11 阅读：5 2025-07-11 21:08:03 评论：0

·这一系列“高清地图”的发布，其意义远不止于数据本身，它为脑科学基础研究、脑疾病诊疗和类脑智能发展提供了关键的钥匙。

大脑是自然界最复杂的造物。在人类大脑中，近千亿神经元如繁星般交织，构成了思想、记忆与意识的宇宙。解开这个宇宙的运行法则，是科学的终极疆域之一。

7月10日，一个由中国科学家主导，联合多国研究力量的团队，在《细胞》（Cell）、《神经元》（Neuron）、《发育细胞》（Developmental Cell）期刊以专辑形式，集中发表了十项里程碑式的研究成果。这一系列成果借助自主研发的脑成像、空间转录组和人工智能技术，首次实现了介观脑联接图谱绘制从啮齿类到灵长类的跨越。这不仅为理解大脑的“智慧密码”提供了前所未有的“高清地图”，也标志着我国在这一前沿领域的研究进入了体系化攻坚的新阶段。

这些研究是中国科技部重点培育的“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的阶段性硕果，由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科技大学、华中科技大学苏州脑空间信息研究院、华大生命科学研究院、浙江大学医学院附属第一医院等30多家国内外机构、超过300名科研人员协同完成。

从细胞类型到结构图谱：绘制大脑的“高清地图”

要理解一座城市的运转，我们需要不同精度的地图：一张显示各功能区的卫星图，一张标明所有道路的交通图，以及一张记录每个地址居民信息的户籍图。绘制“大脑地图”也是同理，科学家需要从不同层面入手，构建一套多维度的图谱。

我们知道大脑里面主要是神经元细胞，但实际上大脑并非由单一类型的细胞构成，而是由成百上千种功能各异的神经元和胶质细胞等组成的精密“社区”。这些细胞可以从基因角度进行更细致的分类，来揭示它们演化和功能方面的特征。“细胞类型图谱”就是用来回答“大脑里有哪些细胞，它们分别住在哪里”这一问题的。

利用华大自主研发的Stereo-seq空间转录组技术，研究人员得以在知晓一个细胞基因信息的同时，精确定位它的空间“住址”。在本次成果中，团队不仅绘制了小鼠全脑的单细胞空间图谱，还首次获得了阿尔茨海默病患者海马脑区的单细胞空间图谱，精确揭示了病理状态下特定细胞类型的空间分布变化，为疾病的早期诊断及鉴别诊断提供了全新线索。

知道了细胞的类型和分布之后，就需要回答“细胞之间如何联接”的问题，于是就有了反映不同类型细胞的联接结构和模式的“介观”图谱。神经元通过轴突，将自己需传递的信息“投射”到其它神经元上。许多神经元之间的联接，就形成了大脑的“公路网”，并进一步将信息传递到身体的各个部分。看清这张网络的具体走向，是理解大脑信息处理流程的关键。

研究团队利用自主研发的LV-fMOST和VISoR等高通量三维成像技术，实现了对整个大脑乃至整个小鼠全身的精细成像。其中一项成果进一步利用自主研发的Gapr追踪系统，重构了猕猴前额叶皮层中超过2200个投射神经元的全脑“线路图”，发现灵长类大脑的神经连接模式比小鼠更为“精简高效”，这可能是实现高级认知功能的重要特征。

这一发现打破了原先“物种越高等，单神经元连接越复杂”的假设：灵长类大脑的单神经元结构并非更复杂，而是采取了更专一的投射靶向、更高效的联接模式。通俗来说，灵长类大脑如同员工数量庞大、人人分工明确的“大公司”，而小鼠大脑如同员工数量少、人人都是多面手的“小公司”。美国科学院院士、麻省理工学院麦戈文脑研究所所长Robert Desimone评价该成果为“杰作”：“这一灵长类前额叶皮层及其连接的‘线路图’，对于我们进一步理解健康和疾病状态下的认知功能是非常需要的。”

在对被认为是“意识中枢”的猕猴屏状核的研究中，团队结合空间转录组和全脑连接数据，发现屏状核内部分为四个功能亚区，每个亚区富含特定的细胞类型，并与大脑不同功能脑区相连。这为理解意识如何整合全脑信息提供了关键的结构框架。

大脑“地图”的绘制离不开更精准有效的测序、示踪、观测等技术，该系列研究攻克了一系列难点，构建出了国际领先的细胞特异性靶向工具。长期以来，要在猕猴大脑中精准地标记和调控特定类型的细胞极为困难。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/上海脑科学与类脑研究中心的刘真研究组牵头合作研发的工具集，如同开发了一套“精准导航”的分子工具，使研究人员无需再依赖耗时漫长的转基因模型，就能在灵长类大脑中便捷地实现对特定神经元的活性“开关”和“观测”，这一技术标志着“灵长类脑科学进入了精准细胞类型研究新阶段”。

“这些成果的取得，离不开自主技术的迭代。”中国科学院脑智卓越中心党委书记、副主任孙衍刚介绍，“我们形成了‘技术开发+平台支撑+团队协作’的模式。在10项成果里有两项是关键技术突破，在此基础上，我们通过建立平台和团队协作，在神经环路解析、脑进化解密和脑疾病解码三方面取得了一系列突破。”

破解大脑之谜的坚实一步

这一系列“高清地图”的发布，其意义远不止于数据本身，它为脑科学基础研究、脑疾病诊疗和类脑智能发展提供了关键的钥匙。在基础科学层面，这些图谱不仅揭示了前额叶、屏状核等脑区的结构规律，也为了解智慧的起源和演化提供了全新视角。通过比较龟、鸟、小鼠、猕猴等多个物种的脑图谱，研究人员揭示了脊椎动物大脑在长达3.2亿年演化史中的保守与特化规律。

在应用层面，这些成果直接指向了人类最棘手的脑疾病。在针对阿尔茨海默病的研究中，团队绘制的人类海马空间转录组图谱，清晰地展示了在病理斑块周围，特定的小胶质细胞和星形胶质细胞如何聚集并改变，揭示了一系列神经系统来源的靶标，为理解病理机制和开发早期诊断标志物提供了重要依据。该团队的研究人员、浙江大学的王盼告诉澎湃科技，基于该研究发现的外泌体靶标能够成为阿尔兹海默病早期诊断乃至治疗干预的靶点，目前已经在进行成果转化中。

另一项研究则首次描绘了小鼠脑出血后从超急性期到恢复期的单细胞分辨率的空间转录组图谱，系统解析了脑组织损伤与修复过程，以及胶质细胞等多种细胞在这一修复过程中发挥的关键作用，揭示血肿及其周边区域存在明确的空间梯度基因表达模式，阐明脑出血不仅是局部病变，更会引发全脑反应。该图谱的绘制，为深入理解脑出血的动态病理过程提供了重要资源，并为靶向干预和个体化治疗策略奠定了基础。该研究团队成员、郑州大学基础医学院王君敏副教授表示，未来有望通过在特定时间窗口内用药调控炎症或氧化应激，结合手术精准清除血肿，为脑出血的临床治疗带来新的希望。

系列研究项目发起者、中国科学院院士蒲慕明表示，从猕猴大脑到人类大脑，从介观图谱到真正能反映大脑运作机制的“功能图谱”，大脑地图要真正帮助我们理解意识起源、解决大脑疾病，还有很长的路要走。目前的工作是这些目标的坚实基础。

“如同‘人类基因组’计划一样，刚测出来的时候，人们也不知道怎样去利用。但测序不仅推动了技术的发展，我们知道了神经联接信息等之后，还能够进一步研究其规律，为之后的功能研究和神经调控打下基础。”他告诉澎湃科技。

中国的“大科学计划”

绘制大脑图谱是一项工程浩大、数据量惊人的系统工程，非单个实验室或单个机构所能完成。本次系列成果的发布，充分展现了大团队协同攻关的“集团军”优势。

“这个成果实际上是有国内外的8个研究机构的92名科研人员共同联合攻关完成的，”孙衍刚研究员以屏状核研究为例介绍，“这里面整合了法国科研机构的示踪技术、华大的空间转录组技术优势，还有腾讯AI实验室的算法算力优势。这是一个围绕核心任务，多方协同最终产生突破性成果的非常好的案例。”

这种大科学的组织模式，正是中国正在积极推动的“全脑介观神经联接图谱”国际大科学计划的雏形。蒲慕明表示：“我们在这个领域，已经在国际前沿上做出了令人瞩目的工作。在这个基础之上，我们在今年9月份将正式成立全球的灵长类脑图谱联盟。这是一个中国发起的大科学计划，我们中国科学家担任主导作用。”

这项计划的目标宏大且清晰：从已经取得突破的小鼠和猕猴图谱出发，稳步向着绘制人类介观脑图谱的最高目标迈进。这不仅需要持续的技术创新，更需要开放、共享的国际合作精神。

“灵长类脑图谱研究具有工程浩大、周期长、数据量惊人等特点，对此，我们呼吁要持续深化全球科技合作，共同向破解灵长类介观脑图谱的更高目标发起冲击。”项目相关负责人介绍。

从最初的模糊轮廓到如今的“高清地图”，人类对自身大脑的探索正迈入一个新纪元。这些由中国科学家主导绘制的图谱，不仅是基础科学的宝贵财富，也为最终实现“认识脑、保护脑、模拟脑”的目标奠定了坚实的基石。