一百小时完成迄今最高精度猕猴脑图谱测绘!最快大尺度三维显微成像技术，将加速人脑解析进程

VISoR高速三维成像技术显示恒河猴大脑中的神经纤维。

神经纤维是大脑所有意识和思维活动中信息传递的载体。大脑中的每个神经细胞都有独特的结构，可以长出长长的纤维分支，投射到大脑的不同区域，从而形成复杂的网络连接，交换信息。

所以在大脑中分析这种超精细的细节并不容易，需要亚细胞分辨率级别的三维成像。

神经的特点是“细而长”，其直径通常小于1微米，即头发的1/100，长度可达几十厘米，是直径的几十万倍。而且，有时候近半个大脑被大量的分支覆盖。此时，即使是一个神经细胞的全貌，也无法通过电子显微镜等高分辨率的方法进行局部成像。

因此，需要一张能够同时满足高精度和宽范围双重要求的三维高清“地图”，来实现对神经纤维的远距离追踪。

近日，中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所、合肥综合国家科学中心人工智能研究所与国内外团队合作，自主研发了高通量、高精度的三维荧光成像VIsoR技术和灵长类脑图谱绘制智能流程，实现了微米级分辨率的猕猴脑三维分析。

VISoR成像系统可以在100小时内完成1×1×2.5微米三维分辨率的猕猴全脑图像采集。研究中的两幅猕猴脑图像原始数据超过1 petabyte (petabytes，数据存储大小相当于113个10T硬盘)，是世界上精度最高的灵长类脑图谱。相关论文

相关研究发表在《自然生物技术》杂志上，题目是“以微米级分辨率高通量绘制恒河猴全脑图谱”。毕国强教授、刘北明教授为合著者，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员徐芳，中国科学技术大学研究生、、杨，深圳先进技术研究院访问学生为第一作者。

那么，我们能从这些图像中学到什么呢？它会告诉我们什么？一位Twitter用户这样评论:它可能会告诉我们成千上万的事情，就像地球的“地图”一样，取决于你用这个工具问什么问题。

徐方说，猕猴是最适合研究人类智力和脑疾病机制的非人灵长类动物模型。这项技术为灵长类大脑的介观连锁图谱研究打开了一扇门。有了这样精细的三维“地图”，我们才能真正了解和模拟大脑的工作机制，进一步设计未来的类脑智能系统。猕猴大脑中的神经细胞

自主研发高速三维成像技术，首次获取恒河猴大脑三维高清成像。

通常情况下，荧光显微光学切片断层扫描和顺序双光子断层扫描需要几天时间才能完成一个小鼠大脑的成像，而使用本团队自主研发的VISoR高速三维成像技术只需要0.5 ~ 2小时，速度提高了几十倍。

据悉，自2015年以来，该团队在中国科学院战略先导专项和国家自然科学基金支持下，研发了VISoR高速三维成像技术。目的是满足脑科学研究中的广泛需求，获取实验动物大脑的三维结构图像，绘制不同比例尺的脑神经连接图。三维高分辨率重建图(A)、横断面图(B)、内部神经纤维的显示(C)、全脑部分神经纤维的示踪和可视化(D)

徐芳说，这项技术的原理和用手机拍全景是一样的。为了实现介观尺度的大脑三维成像，需要切换不同的视野，对大脑样本的每个小区域分别拍照，最后将数百万幅小图像拼接成一幅完整的三维图像。因此，成像速度至关重要。

传统技术成像速度慢的根本原因是拍照时样品是静止的。当一个视场切换到下一个视场拍照时，样品需要从静止状态加速，移动一定距离后减速静止。智能过程在恒河猴大脑神经纤维结构重建中的应用

在这些步骤中，样品静止时相机的曝光时间很短，而移动视野的过程比曝光时间要长得多。也就是说，相机大部分时间是闲置的，它的成像速度浪费在“等待”中。

如果把光膜照明成像和透明脑技术结合起来，虽然速度很快，但是分辨率还远远不够高。鉴于此，团队中的高级工程师朱清源博士提出了一种新的成像模式:为什么不在样品匀速运动的同时尝试连拍？从而达到最高的时间利用率，获得相机的最大成像速度。恒河猴丘脑核的介观投射

然而，另一个问题随之而来。在运动中，容易因不稳定造成图像模糊。怎么解决？

据介绍，这项技术的另一个关键是毕国强教授想到了用扫描光束进行照明。“我们将光束扫描与相机拍摄和读取严格同步，样品中的每个点只照射一次，几乎完全避免了样品运动不稳定造成的成像模糊。而且这种成像方式对光的利用率很高，从而最终获得更高的图像信噪比。”毕国强解释道。

VISoR成像技术是透明的，可重新成像，因此对各种生物组织学标记物具有兼容性和通用性，解决了过去全脑透明，难以进行深度均匀染色和均匀透明的“卡脖子”问题。

此外，VISoR成像技术具有良好的可扩展性。毕国强解释道，“其实样本越大，拍摄效率越高。因此，这项技术可以自然地从老鼠的大脑延伸到猴子的大脑，将来可能会应用到人脑上。”实现对每个模型动物大脑的高精度、高通量分析，或者加速更精确的医学诊断和药物研发。

VISoR成像技术的应用并不局限于大脑，在生命科学、医学等有大规模3D成像需求的领域有着非常广阔的应用场景。不同器官和组织的VISoR成像图像(从左至右:小鼠脑横切面、猕猴脑横切面、猕猴小脑)

例如，目前的临床病理诊断是基于组织切片的二维显微图像。虽然人工智能分析方法已被应用于这些图像的分析和辅助诊断，但这些图像数据有其自身的局限性，如不具备完整的三维结构、受样本切片角度和位置影响较大、数据量相对较小等。

高速遮阳板成像技术的应用，可以将目前的二维检测“升级”为高通量的三维成像，更适合人工智能大数据分析。它可以充分利用生物、病理和手术组织样本，也可以更大程度地挖掘其中蕴含的生理病理信息。

随着以VISoR为代表的三维成像技术的发展，基于生物组织完整三维图像的研究和病理诊断正在成为一个新的科学研究领域。

比如毕国强说，“VISoR成像也非常适合发育生物学研究。例如，它可以快速获得胚胎的完整三维结构信息，从而了解其发育生长过程和细胞分子机制。”

在更大的尺度上，现有的医学解剖学在过去的几千年里大多是在肉眼的分辨率上发展的，显微成像的应用可以限制在很小的一部分。

借助类似VIsoR的高通量显微成像技术，可以在有限的时间内对整个器官甚至整个人体进行细胞分辨率或亚细胞分辨率的成像。“这可能会给解剖学带来一场革命，使我们能够对整个人体的完整框架和结构细节有前所未有的清晰认识和数字化描述。”毕国强说。

目前，该团队正在拓展与前瞻性医院、CRO企业和资本的合作。同时与一些人工智能相关企业合作，在大规模图像数据中挖掘信息。此外，正在组织AI图像分析竞赛等活动，以寻求更广泛的社区参与。毕国强

总之，生物医学图像与人工智能的结合将有助于我们更全面地了解人类大脑和身体器官的精细结构，更准确地把握疾病的变化规律，加快医学诊断和药物研发。遮阳板工程图

多团队、跨学科、多元化合作，最终目标是实现对人脑的完整分析。

徐芳和遮阳板高速三维成像设备

2007年回国后，毕国强教授致力于影像技术的研发和应用。他和刘北明教授先后在中科大和深圳先进院集团组建了跨学科团队。一方面，他们对生物问题进行研究，并对该领域的需求和瓶颈有直接的经验。另一方面，基于物理方法开发技术，对技术原理的可行性有清晰的把握，习惯于从第一性原理解决问题。

用于脑图谱绘制的VISOR技术从构思到实现猴脑成像用了5年时间，不同于传统的生物实验研究，脑图谱研究需要借鉴各专业的力量。

本研究中脑图谱的智能过程包括样品制备、样品处理、光学成像、图像处理和数据分析。每一步都需要专业知识，相关研究人员的要求也不一样。

“通过长期的成长和发展，我们建立了一个跨学科的多元化团队。团队成员包括光学专家、编程专家、神经科学家等。他们有着差异化的专业背景，各自的专业特长和性格特点，在项目中得到了完美的发挥。”徐芳说。

目前人类对灵长类大脑的认知还有很多探索空。这项技术可以直接拓展人类对灵长类自身智力和脑部疾病的认知。

徐方表示，人脑其实只比猴脑大十倍，团队的最终目标是实现对人脑的完整分析。

毕国强认为，如何高效地分析和理解相关数据将是下一个挑战。论文第一作者团队从左至右依次为徐芳、、、杨。

VISoR高速三维成像技术显示恒河猴大脑中的神经纤维。

基于现有技术，国内外实验室开展了大量的小鼠全脑图谱成像工作，获得了大量数据。然而，仍然很难发现神经网络架构的规则，并理解一只老鼠如何从这些数据中处理信息。因此，有必要开发新的计算方法和软件工具进行深入的数据挖掘。

此外，在更大规模的猴脑和人脑领域，获取全面的脑图谱数据仍是一项相当艰巨的任务，需要更长的时间和更多的人力物力共同参与。“随着国家对脑科学的重视和技术的不断发展，我相信十几年后猴脑和人脑图谱的分析会有突破性的成果。”毕国强说。(摘自深度科技)(编辑/华生)