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中国脑图谱技术领跑：从单个神经元到全脑网络的突破性进展

今日快讯 2026年05月14日 06:32 7 admin
中国脑图谱技术领跑：从单个神经元到全脑网络的突破性进展


中国科学院院士骆清铭团队历经二十年攻关，成功研制出"基于形态与组学空间信息的细胞分型全脑测绘系统"，这一突破性成果正在重新定义人类对大脑结构和功能的认知。该系统能够以亚微米分辨率观察完整小鼠大脑，识别916个脑区并发现236个新的脑亚区，为神经科学研究提供了前所未有的精度和覆盖范围。

这项技术的核心创新在于首次实现了"既能看得清，又能看得全"的大脑观测能力，突破了传统磁共振成像分辨率不足和电子显微镜视野局限的技术瓶颈。通过将金刚石切削技术与高分辨率成像完美结合，研究团队能够将鼠脑切成约1万片厚度仅为1微米的超薄切片，同时进行实时高质量成像，构建出迄今为止最精确的哺乳动物全脑神经连接图谱。

从物理学跨界到脑科学前沿

骆清铭的研究历程体现了跨学科融合在前沿科学中的重要作用。作为物理学出身的科学家，他在美国从事博士后研究期间开发的近红外成像技术至今仍被广泛应用。然而，正是这种多学科背景使他能够以独特的视角审视脑科学研究中的技术挑战。

面对人类大脑中神经元数量的基本问题——究竟是860亿、1000亿还是2000亿个神经元，科学界至今没有统一答案——骆清铭意识到问题的根源在于缺乏合适的观测工具。神经元作为神经系统的基本功能单元，其连接可以从大脑延伸到脊髓甚至更远的距离，但传统技术无法完整追踪这些复杂的神经通路。

2000年，当骆清铭向耶鲁大学神经科学家戈登·谢泼德提出开发既能看清楚又能看全面的"遥感式"大脑观测技术时，对方的反应是"这件事非常有意义，但换作是我，没干出来恐怕就要被单位开除了"。这一评价既体现了技术挑战的巨大难度，也预示了成功后的重大意义。

研究团队选择从小鼠大脑开始攻关具有深刻的科学考量。小鼠与人类在进化树上亲缘关系较近，约90%的基因与人类同源，使得小鼠脑图谱研究成为理解人类大脑的重要"简化版"模型。经过十年的技术开发，团队成功研制出MOST三维显微镜，实现了以亚微米分辨率连续获得小鼠全脑图像的技术突破。

技术创新的核心突破

中国脑图谱技术领跑：从单个神经元到全脑网络的突破性进展

该仪器核心成像组件的工作照片，从左到右依次为成像镜头、鼠脑样本和金刚石刀具。受访者供图

该系统的技术创新体现在多个关键环节的协同突破。首先是样本处理技术的革新，研究团队解决了完整鼠脑的染色与固定难题，确保神经结构在长时间处理过程中保持完整性。其次是超精密切削技术的突破，利用金刚石刀具实现每片1微米厚度的连续切削，整个过程持续240小时而保持高度稳定。

最关键的创新在于成像与切割的完美耦合。与美国竞争团队的方案不同，骆清铭团队创新性地将成像与切割过程解耦，既实现了"丝滑"的切削效果，又能够进行边切边成像的实时观测。这一技术突破避免了切削过程中样本表面起皱等问题，确保了成像质量的一致性。

2010年，相关研究成果在《科学》杂志发表，这不仅是华中科技大学首篇《科学》论文，也是国内仪器研究开发领域的重大突破。该成果还被评为2011年度中国科学十大进展，确立了中国在脑图谱技术领域的国际领先地位。2013年，诺贝尔生理学或医学奖获得者托马斯·苏德霍夫专程访问骆清铭实验室，对这项研究表达了浓厚兴趣。

从2010年到2023年，团队进一步升级技术体系，将组学信息融入神经元空间形态研究，开发出更加先进的细胞分型全脑测绘系统。如果说传统形态学研究相当于观察"电缆"的外形，那么新系统则能够区分"电缆"和"光缆"的功能差异，实现对不同类型神经元的精准识别和功能分析。

国际合作与科学影响

中国脑图谱技术的突破性进展引起了国际科学界的广泛关注和认可。2013年美国脑计划启动后，美方主动将鼠脑样本寄送给骆清铭团队进行成像分析，这一合作模式体现了中国技术的独特价值和不可替代性。

2021年，《自然》杂志专门推出17篇脑科学论文的特别专辑，其中4篇涉及全脑范围神经元形态结构测量的研究全部基于骆清铭团队提供的数据。这一现象充分说明了中国脑图谱技术在国际脑科学研究中的核心地位和重要贡献。

目前，团队与中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心合作，成功获取并重建了猕猴前额叶皮层的2231个单神经元投射图谱，据此鉴定出32种投射模式定义的神经元亚型。这一发表在《细胞》杂志的成果标志着从小鼠到灵长类动物脑图谱研究的重要进展。

医学应用与产业化前景

脑图谱技术的突破为医学研究和临床应用开辟了广阔前景。通过精确识别疾病相关的异常细胞类型和神经环路，该技术能够为开发高靶向性药物和治疗策略提供关键支撑，推动神经疾病治疗向"细胞类型特异性"的精准医疗方向发展。

在脑机接口领域，该系统绘制的集成细胞类型、连接与分子信息的脑连接图谱，将为脑机接口的精准定位、器件设计、神经解码与调控策略奠定数据基础。这对于实现更自然、更精细的脑机交互具有重要意义。

骆清铭强调，团队"绝不碰产业，术业有专攻，我们把产业化交给更专业的人士"。这种专注基础研究而将技术转化交给专业机构的做法，体现了科研工作者的责任担当和对科技成果转化规律的深刻理解。

面向未来，构建人脑图谱仍然面临巨大挑战。人脑不仅成分更复杂、细胞类型更丰富，细胞数量更是呈数量级增长，这要求技术体系实现革命性突破而非简单扩展。骆清铭团队正在为实现这一宏伟目标而不断努力，他们的成功将为人类理解自身大脑奥秘提供关键工具。

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