印度科学家绘制出最详细的人脑干3D图谱

# 印度科学家如何绘制大脑最后的疆域 来源：https://www.bbc.com/news/articles/cg53l737v1qo Universal Images Group via Getty Images 人类大脑地图。今天我们已知大脑不同区域具有不同功能。例如，你的每种感官都有各自对应的区域。2014年（图片来源：Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images）Universal Images Group via Getty Images 一张人类大脑地图——这个器官包含约860亿个神经元 一个多世纪以来，神经科学家研究人类大脑的方式，与早期地图绘制者绘制未知土地的方式颇为相似：通过零散的观察拼凑出一幅广阔的图景。 即使在今天，病理学家在诊断阿尔茨海默病等疾病时，通常也只是从一个包含约860亿个神经元的器官中检查少量组织样本。这幅图景的绝大部分仍然未被看见。 正因如此，位于印度理工学院马德拉斯分校（IIT-M）的 Sudha Gopalakrishnan 脑科学中心（SGBC）的科学家们认为，他们在填补神经科学最大空白之一方面迈出了重要一步。 他们制作出了他们所称的世界上最高分辨率的人类脑干三维细胞图谱——一张数字地图，让科学家能够从整个大脑的磁共振成像（MRI）扫描，无缝地浏览到单个神经细胞。 这个图谱被命名为 ANCHOR（Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction，即人类脑干神经化学特征三维重建图谱），它整合了来自胎儿、儿童及成人脑部的500多个组织切片。 该图谱基于高分辨率显微镜图像而非成本更高的分子技术构建，创建了脑干的详细三维地图，识别出200多个脑细胞簇和神经通路。 八个化学标记物帮助区分不同的细胞类型，从而呈现了迄今为止关于这个至关重要但了解甚少的大脑区域的最清晰图像之一。 脑干只占据大脑的一小部分，但它维持着人的生命。它将大脑与脊髓连接起来，控制着呼吸、心跳、睡眠、清醒和运动。 脑干内微小细胞簇的损伤可能是灾难性的，但该区域密集的构造长期以来一直阻碍着对其进行详细绘制的努力。 SGBC 脑干切片在图上 SGBC 脑干图谱切片——虽然只是大脑的一小部分，但脑干维持着我们的生命 ANCHOR 的重要性不仅仅在于制作了另一幅解剖图谱，更在于它将两个长期相互分离的世界联系了起来：显示整个大脑的医学影像，以及逐个细胞揭示大脑的细胞病理学。 "我们看到的是一个具有远见的项目，它让印度站到了国际舞台上，"塔塔基础研究研究所的印度神经科学家 Shubha Tole 说，她将这个项目描述为工程学、神经科学和医学"前所未有的整合"。 医生通常从检查尸检中的整个大脑或神经外科手术中切除的组织开始。一个成人大脑重约1.2-1.5公斤，在进行显微镜检查之前，其褶皱和主要结构可以揭示重要线索。 "作为一名神经病理学家，我的工作始于用肉眼检查整个大脑，然后再在显微镜下观察小块组织，"与哈佛医学院和纽约大学有关联、并与 SGBC 团队合作的 Rebecca Folkerth 说。 "对于阿尔茨海默病，我们可能只检查15到20个切片——仅占整个器官的极小一部分。" 自一个多世纪前西班牙神经科学家 Santiago Ramón y Cajal 的开创性工作以来，这一直是常规做法。现代 MRI 可以显示整个大脑，但缺乏细胞层面的细节；显微镜可以显示单个细胞，但仅限于孤立的切片。 "印度中心所创造的，基本上是我职业生涯早期梦寐以求的东西——让脑部扫描与大脑的显微解剖结构相匹配，"三十多年来检查过数千个大脑的 Folkerth 告诉 BBC。 Getty Images 一张显示早期痴呆症/阿尔茨海默病的脑部扫描图Getty Images 一张显示早期阿尔茨海默病的脑部扫描图。该图谱可能帮助科学家更好地理解阿尔茨海默病、帕金森病和脑卒中 ANCHOR 试图弥合这一差距。 用户可以从 MRI 上看到的整个脑干，一直放大到单个神经元，同时保持它们精确的空间关系。研究人员已将这份图谱免费在线公开（https://anchor.humanbrain.in/），希望它成为全球神经科学家、神经学家和神经外科医生的参考工具。 其应用也可能远远超出解剖学范畴。 通过将健康的脑干图谱与病变组织进行比较，科学家可能更好地理解从帕金森病、脑卒中到阿尔茨海默病以及婴儿猝死综合征（SIDS）等多种疾病。更精确的图谱也可能帮助神经外科医生更有信心地在大脑最精密的区域之一进行导航。 ANCHOR 不是一个诊断工具。相反，它的最大价值在于它可能帮助回答的问题。 Partha Mitra 是纽约著名的冷泉港实验室的脑科学家，他在访问教授期间设计并帮助建立了 IIT 马德拉斯分校的人类大脑组织学项目。他表示，像这样的详细脑图谱可以通过逐细胞揭示阿尔茨海默病或自闭症等疾病如何影响大脑，对神经系统疾病的研究产生"变革性影响"。 Mitra 告诉 BBC，这些图谱还可能有助于解释包括新冠在内的感染如何引发长期的神经损伤。 以脑卒中为例，Folkerst 表示该图谱发现了新的特征，可能帮助医生保存那些受伤但尚未不可逆转的脑组织，从而可能改善患者的预后。其他科学家表示，该图谱也可能帮助神经外科医生更安全地在脑干中导航。 这份图谱的吸引力部分在于其简洁性。它基于死后脑组织薄切片的高分辨率图像构建，这种方法使得详细、细胞级别的绘制变得经济可行。 Mitra 说，这使得以前所未有的规模绘制人类脑干成为可能。 这一成就反映了神经科学更广泛的转变，在该领域中，进展越来越依赖于工程和计算，而不仅仅是生物学。 大约20名科学家在 SGBC 花了18个月时间手动分析了200多个脑切片，将 MRI 扫描、显微解剖学和三维重建整合到一个数字图谱中。该中心现在汇集了200多名研究人员、工程师和技术人员，与全球合作者一起工作。 这一成果有助于解决神经科学中一个令人惊讶的空白。 SGBC ANCHOR 在线浏览器，实现了从 MRI 中的大体脑结构到细胞层面特征的无缝切换SGBC 一个在线浏览器，支持从整个大脑的 MRI 扫描无缝导航到细胞层面的特征 科学家们已经以惊人的细节绘制了几种动物物种的大脑，但人类大脑相对仍然未被充分测绘，因为对人类脑组织的详细研究非常稀少，SGBC 的负责人 Mohanasankar Sivaprakasam 告诉 BBC。 这并不意味着科学家们缺乏脑图谱。"不同的图谱做不同的事情，" Mitra 说。 基于 MRI 的图谱捕捉了大脑的总体结构，但无法显示单个细胞。组织学图谱使用组织切片的显微镜图像，以细胞分辨率绘制其结构。较新的分子方法更进一步，识别每个细胞的精确身份。 但科学家们对大脑约20,000种蛋白质如何在不同区域和细胞类型中分布仍然知之甚少——这很可能定义下一代脑图谱的绘制前沿。 "每个大脑，" Folkerth 说，"都是一座新知识的宝库。" SGBC 现在计划对100多个完整的人类大脑进行成像，涵盖不同生命阶段和神经系统疾病（包括阿尔茨海默病和痴呆症），创建一个参考库，可能揭示疾病如何逐个细胞地重塑大脑。 这份新图谱不会解决人类大脑的所有奥秘。但通过为科学家提供更为详细的地图，它可能帮助他们提出——并最终回答——更好的问题。