IT之家 6 月 19 日消息，據(jù)央視報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王凱研究團(tuán)隊(duì)與徐圣進(jìn)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究成果。

研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出基于成像的多模態(tài)解析平臺(tái)“IMC”（Imaging-based Multimodal Characterization），在全球范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)同一神經(jīng)元的功能活動(dòng)、三維結(jié)構(gòu)和分子基因表達(dá)三類(lèi)信息的高精度同步解析。

大腦由約 860 億個(gè)神經(jīng)元構(gòu)成，這些神經(jīng)元在功能反應(yīng)、形態(tài)結(jié)構(gòu)以及基因表達(dá)上存在著巨大差異。要真正理解大腦的工作機(jī)制，必須搞清楚每一個(gè)神經(jīng)元的三個(gè)核心維度：

• 一是功能，即細(xì)胞如何響應(yīng)外界刺激、處理信息；

• 二是結(jié)構(gòu)，即細(xì)胞的具體形態(tài)以及它如何與其他神經(jīng)細(xì)胞建立連接；

• 三是分子，即細(xì)胞內(nèi)部的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)組成。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)，全球神經(jīng)科學(xué)界面臨一個(gè)根本性的技術(shù)瓶頸 —— 神經(jīng)元的分子、結(jié)構(gòu)和功能這三類(lèi)數(shù)據(jù)只能在不同實(shí)驗(yàn)體系下分開(kāi)檢測(cè)。不同檢測(cè)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)流程互不兼容，導(dǎo)致功能、結(jié)構(gòu)、基因數(shù)據(jù)各自獨(dú)立，形成了一座座無(wú)法打通的“數(shù)據(jù)孤島”。

盡管各國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃已積累了海量的單模態(tài)數(shù)據(jù)，但由于缺乏來(lái)自同一個(gè)神經(jīng)元的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行有效的對(duì)比分析與聯(lián)合解析。此前，國(guó)際上雖有研究報(bào)道了能夠?qū)崿F(xiàn)兩類(lèi)信息合并檢測(cè)的技術(shù)，但三類(lèi)信息的同步解析始終未能突破。

為攻克這一世界級(jí)難題，王凱與徐圣進(jìn)兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從底層技術(shù)開(kāi)始重新設(shè)計(jì)，聯(lián)合攻關(guān)。他們打造的 IMC 多模態(tài)解析平臺(tái)打通了從活體觀測(cè)到基因檢測(cè)的完整實(shí)驗(yàn)鏈路。

該平臺(tái)依托兩項(xiàng)自主研發(fā)的核心技術(shù)：一是高分辨率多平面并行化雙光子顯微鏡，無(wú)需切割腦組織即可完整復(fù)原神經(jīng)元在全腦范圍內(nèi)的神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)；二是雙色膨脹熒光原位雜交技術(shù)，能夠精準(zhǔn)定位細(xì)胞內(nèi)的基因分子，單次可同時(shí)檢測(cè) 6 種基因。

整套實(shí)驗(yàn)流程分為三步：首先在清醒小鼠的大腦中實(shí)時(shí)記錄神經(jīng)元對(duì)視覺(jué)畫(huà)面及面部動(dòng)作的實(shí)時(shí)反應(yīng)；隨后完整復(fù)原同一個(gè)細(xì)胞遍布全腦的神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)；最后精準(zhǔn)捕捉細(xì)胞內(nèi)部全部基因的分布與含量。三步操作全程保留細(xì)胞的空間位置信息，確保不同模態(tài)的數(shù)據(jù)能夠精準(zhǔn)匹配對(duì)齊。

依托 IMC 平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)以小鼠初級(jí)視覺(jué)皮層為切入點(diǎn)，成功采集了 207 個(gè)具有在體功能活動(dòng)和形態(tài)信息的神經(jīng)元數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步獲得了其中 141 個(gè)神經(jīng)元的完整三模態(tài)數(shù)據(jù)集?；谶@些真實(shí)同源的多維數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)取得了多項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)：對(duì)比單一維度數(shù)據(jù)，將細(xì)胞外形與基因信息相結(jié)合能夠更精準(zhǔn)地預(yù)判神經(jīng)元的功能反應(yīng)；研究還發(fā)現(xiàn)，信使 RNA（mRNA）在細(xì)胞內(nèi)的空間分布位置本身構(gòu)成了一個(gè)新的分子特征維度，可用于輔助區(qū)分不同類(lèi)型和功能的神經(jīng)元。此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一類(lèi)此前從未被完整定義的興奮性神經(jīng)元亞型，這類(lèi)細(xì)胞同時(shí)表達(dá)抑制性神經(jīng)元的特征分子，且對(duì)視覺(jué)刺激具有特殊的響應(yīng)特性，刷新了學(xué)界對(duì)神經(jīng)細(xì)胞分型的固有認(rèn)知。

該研究產(chǎn)生的單神經(jīng)元多模態(tài)數(shù)據(jù)已向全球開(kāi)放。研究團(tuán)隊(duì)表示，IMC 平臺(tái)使研究者能夠從真實(shí)同源數(shù)據(jù)出發(fā)，分析分子身份、形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能響應(yīng)之間的關(guān)系。未來(lái)該平臺(tái)可擴(kuò)展到更多腦區(qū)、細(xì)胞類(lèi)型和行為范式，用于解析任務(wù)相關(guān)計(jì)算、環(huán)路結(jié)構(gòu)和分子身份之間的關(guān)系，也可用于研究阿爾茨海默病等腦疾病中特定神經(jīng)元亞型的功能異常、聯(lián)接改變和分子狀態(tài)變化。這項(xiàng)研究補(bǔ)齊了全球腦計(jì)劃缺失的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)工具，為繪制完整大腦圖譜、研發(fā)腦病靶向干預(yù)手段提供了重要的技術(shù)支撐。

IT之家附論文地址：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.041

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