中國落成工業級高通量腦成像設施，或將改變神經科學發展方式

原文以China launches brain-imaging factory為標題

發布在2017年8月16日的《自然》新聞上

原文作者：David Cyranoski

華中科技大學（蘇州）腦空間信息技術研究院啟動在即，旨在使工業級高解析度腦圖成為神經科學的標準工具。

為了繪製「千迴百轉」的大腦神經元迴路，神經科學家們可謂煞費苦心，不過很快他們將看到本領域發展至工業級規模。據開發人員介紹，下個月，一台能轉化高解析度腦圖的大型設施將在蘇州啟動。

典型的實驗室可能只使用一套或兩套腦成像系統，而這一新設施擁有50台自動化機器，可以快速切割小鼠大腦，捕捉每個切片的高解析度圖像，並將其重構成3D圖像。美國艾倫腦科學研究所的分子生物學專家曾紅葵認為這樣的工業級設施將「大大加快進度」。她說：「工業級大規模、標準化數據生成將改變神經科學的發展方式。」

這張重構圖像顯示了長程神經元橫穿小鼠大腦的情況。

NASA

這一新設施名為華中科技大學（蘇州）腦空間信息技術研究院，由華中科技大學生物醫學成像研究者駱清銘領導。該研究院擁有長達5年、高達人民幣4.5億元的預算，未來將聘用120名左右的科學家和技術人員。駱清銘表示，研究院還將繪製人類腦圖，並計劃成為一個國際性研究中心，幫助研究人員繪製神經元連接圖譜，其應用領域包括阿爾茨海默病研究和受大腦啟發的人工智慧項目等。駱清銘自稱為一個「腦空間信息學家」，並建立了該研究院的高速腦成像系統。

熱點話題

「肯定會有巨大的需求，」紐約冷泉港實驗室的神經科學家Josh Huang說。他也在和該研究院合作，他認為獲取高通量、快速成像腦圖有望改變神經科學家對大腦神經元連接情況的認識，就像高通量測序幫助遺傳學家在21世紀初解密人類基因組一樣。他說：「這將對繪製多種物種的細胞解析度腦圖產生重大影響。」

哺乳動物的大腦有數以百萬計的細胞，人類的大腦甚至有數十億。這些細胞大約分為10000種不同的類型，各自形狀不同，大小不同，表達的基因也不同。神經科學家希望通過繪製出它們的結構及相互作用，來認清它們的功能。德國萊布尼茨神經生物學研究所的腦成像研究人員Jürgen Goldschmidt表示，通過比較多個大腦的特定類型神經元，科學家也許能夠鑒定某疾病或後天習得行為對細胞結構的影響。

但是，這樣的圖譜通常需要花費數月或數年的時間才能完成。在這個過程中，研究人員需要使用金剛石刀片將幾厘米長的小鼠大腦切成15,000個超薄切片，再用化學物質或熒游標簽對每個切片進行標記以凸顯特定特徵，然後用顯微鏡對每一層進行成像，最後將圖像重構成3D圖譜。

高速繪製圖譜

華中科技大學（蘇州）腦空間信息技術研究院正好可以在這方面大顯身手。合作者說，研究院擁有數量眾多的機器，其速度和解析度令人驚嘆。據曾紅葵介紹，這些設備在兩個星期內可以收集到的小鼠大腦細節信息，如果換成其它技術，如共焦超高分辨成像，可能要花上幾個月的時間。

今年2月，在美國馬里蘭州貝塞斯達舉行的美國「推進創新神經技術腦研究計劃」（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies）會議上，與會者看到了一張包裹小鼠大腦的單個神經元的圖像，親眼目睹了該技術的實力。艾倫研究所的神經科學家Christof Koch與駱清銘的小組合作完成了這項工作，Koch認為該神經元的廣泛覆蓋面表明它在協調大腦的輸入和輸出以形成意識方面發揮了作用。

華中科技大學（蘇州）腦空間信息技術研究院將生成大量數據：駱清銘說每個小鼠腦圖都有8 TB。但人腦的體積是小鼠大腦的近1500倍；以研究院目前的速度來看，一台單機大約需要20年的時間才能對人腦進行數字重構。駱清銘計劃提高機器的速度，同時並行使用多台設備。

駱清銘期待全球合作；除艾倫研究所和冷泉港實驗室之外，斯坦福大學也正與研究院籌劃建立合作關係。但是駱清銘表示，雖然外界表達了濃厚的興趣，但是研究院無法滿足每個人的需求。「我們已經在婉拒別人了。」

Naturedoi:10.1038/548268a

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