南方網訊 探索人類大腦的工作機制，是人類科學研究最偉大的挑戰之一。大腦的內部究竟是何模樣？千億個腦神經元是如何工作的？

近日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院雙聘教授畢國強和劉北明團隊，與美國加州大學洛杉磯分校周正洪教授合作通過發展前沿冷凍電鏡斷層三維成像技術，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構，其研究成果發表在《自然-神經科學》（Nature Neuroscience）雜志上，這項工作對于探索腦神經系統的工作原理，破譯大腦運轉密碼具有重要意義。

技術加持助力破譯大腦運轉密碼

“要理解大腦的運轉機制，首先就需要將腦內千億個神經細胞以及它們之間的連接呈現出來，就像給大腦繪制一張高清‘地圖’?！鄙钲谙冗M院腦信息中心（下稱“中心”）副研究員徐放介紹。

腦圖譜解析是神經科學研究十分重要的領域，是世界各國“腦計劃”的重點研究方向。對于神經科學中重要的模型動物斑馬魚以及小鼠的腦圖譜解析，中國科學家做出了居世界前列的成績。以目前的技術，完成一只鼠腦的成像通常需要幾天的時間。

“一個小鼠腦大概是指頭大小，而跟人腦更接近的獼猴腦有拳頭的大小，是它的200多倍。”徐放說。因此，如果用同樣精度進行成像，需要幾年甚至數十年才能完成一個獼猴大腦或者人腦的成像。而由畢國強團隊歷時數年自主研發的VISoR高分辨全腦三維顯微成像技術，實現了無模糊的連續運動成像方法，避免了傳統成像方式反復切換視野的時間，因此極大提高了成像速度，能在兩小時內完成亞微米分辨率的鼠腦全腦成像，是其他成像方法的十倍到百倍?！八俣鹊奶嵘屛覀兛梢杂眠@項技術對大批量的模型動物進行全腦三維成像分析，也可以使得對獼猴腦乃至人腦的精細腦解析成為可能。”畢國強說。

解密突觸“黑匣子”

大腦中每個神經細胞通過上千個微小的“突觸”與其他神經細胞相互連接。這些突觸是大腦行為、意識、學習與記憶等功能的最基本結構與功能單元，同時也是多種腦疾病發生的起源地。精確解析突觸中的蛋白分子結構和組織架構及其在神經活動或異常過程中的變化是解密大腦奧妙的一個關鍵環節，也是腦科學與腦疾病研究中最基礎的核心研究方向之一。但是突觸的大小在幾百納米的尺度，突觸蛋白更在幾納米尺度，由于體積非常小，缺乏有效的研究手段，近年來對神經突觸結構的研究一直很難突破。

“突觸在光學顯微鏡下通常只有幾個像素的大小，但是實際上里面的分子結構非常復雜和精密，目前在很大程度上仍舊是一個‘黑匣子’?！敝行母毖芯繂T陶長路說。他和中心正高級工程師張小康主要研究方向就是打開這個“黑匣子”，對突觸內部蛋白質結構進行成像和解析。最新冷凍電鏡（cryoEM）技術的發展使得對蛋白質最微小部分的解析成為可能，然而對蛋白質等生物大分子結構與功能的研究以及藥物效能及作用靶點的探究，最終要回歸到蛋白質所處的生理環境——細胞原位。中心發展的前沿冷凍電鏡斷層原位成像技術（cryoET）與關聯顯微成像技術，就可以對保存在近生理狀態下細胞/組織樣本進行三維成像，也就是說可以實現細胞原位環境中蛋白質的成像，這為突觸超微結構與功能這一“黑匣子”的解密邁出了關鍵的一步。

創新基礎科學研究非常依賴前沿技術的發展，目前我國生物研究中存在大量“卡脖子”技術亟待突破。進行前沿技術的研發并不容易，從畢國強回國在微尺度國家研究中心組建團隊到團隊第一次取得重要技術突破，這一過程長達十年。十年間，團隊堅持兩路并行研究，終于，團隊不僅成功研發出VISoR成像技術，而且完成目前世界上首次公開的“猴腦全腦圖譜”，獲得了業內廣泛關注。

南方日報記者 杜艷