武汉物数所在树鼩脑白质图谱研究中取得进展永

2019-09-22 作者:科技中心   |   浏览(74)

树鼩是与灵长类亲缘关系最近的非灵长类哺乳动物。与使用啮齿类模式动物的研究相比,以树鼩为模式动物的生物医学研究可能也因此而具有更大的临床转化价值。同时由于树鼩体型大小与大鼠相近,其饲养、繁殖和管理成本相对较低,在很多情况下也可以作为非人灵长类模式动物的替代品。我国科学家在开展以树鼩为模型动物的生命科学研究中处于世界领先地位,如树鼩全基因组序列分析、基于树鼩模型的肝炎疫苗研制等。

“我们无法忍受人类仍旧对大脑如何工作知之甚少。”20多年前,DNA双螺旋结构发现者之一、诺奖得主弗朗西斯·克里克曾如此抱怨。时至今日,人类大脑对于科学家而言,仍然还是一个尚未打开的“黑箱子”。

树鼩大脑发达,在特定的脑科学研究领域(如视觉、社会应激、老年疾病等)有其独特的优势,也得到了较为广泛的应用。脑图谱是脑科学研究的基础。前人基于组织染色的方法建立过一些树鼩脑图谱。但由于所使用的方法学的限制,这些图谱并没有提供细致的树鼩脑白质解剖形态和脑区水平的脑连接图谱,在一定程度上阻碍了以树鼩为模式动物的脑科学研究的深入和推广。

“有所为,有所不为”

永利电子游戏网站,中国科学院武汉物理与数学研究所雷皓课题组利用7T小动物磁共振成像仪,在全脑水平上研究了树鼩的脑白质解剖形态,建立了目前分辨率最高的树鼩脑白质图谱,还在此基础之上,系统研究了树鼩主要脑核团之间的结构连接,构建了连接图谱。这些研究成果近期在脑解剖与形态研究杂志《脑结构与功能》(Brain Structure & Function)在线发表。

脑科学被称为是理解自然和人类本身的“终极疆域”。欧盟率先启动“人脑工程” 后,美国、日本紧随其后启动相关脑研究计划,我国为争得这场竞赛的入场券也在积极谋划“中国脑计划”。

大脑的额叶和颞叶与记忆、情感、高级认知功能等密切相关。许多重大神经、精神疾病都与连接额叶与颞叶的白质纤维损伤有关。该研究还发现:树鼩额叶与颞叶之间的宏观脑连接与灵长类相似度较高,说明树鼩可能比啮齿类动物更适合作为神经、精神疾病的动物模型。此外,作为连接额叶与颞叶的主要白质束之一的弓装束与人类语言密切相关。前人的比较影像学研究表明:恒河猴、黑猩猩和人类大脑中弓装束这一结构是渐进进化的。该研究还给出了弓装束的进化可能早于灵长类起源的证据。

我国虽然可以在语音识别、脑组织显微成像等个别领域“领跑”国际,但在神经科学整体研究上,相比欧美的深厚积淀也只能算蹒跚学步,想要进入脑科学“领跑” 梯队尚需时日。

此项工作得到了国家科技部和自然科学基金委的项目支持。

大会执行主席、中国科学院上海神经科学研究所所长蒲慕明认为,中国脑科学计划要遵循“有所为,有所不为”的原则, 既要在重要前沿领域与先进国家竞争,又要发挥自身优势,在某些领域做到世界领先,最终主导大型国际合作计划。

论文链接

在他看来,中国脑科学研究的先天优势是种类和数量非常丰富的灵长类动物和丰富的脑疾病样本,在非人灵长类转基因动物研究及脑疾病模型研究方面,我国已走在世界前列。因此,非人灵长类脑认知科学研究是中国必须要抓住的机会。

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“国内的猕猴研究基础是我们走向全面理解人类认知功能非常重要的一步。未来要把非人灵长类大脑网络和它的结构、功能搞清楚,最终理解人类大脑功能和神经基础。”蒲慕明表示,作为模拟动物,猴类可用于研究在灵长类才出现的脑结构和功能及演化机制,为解析人类高级认知功能的神经环路结构和工作原理提供必要的实验材料。

树鼩

北京师范大学教授李武认为,猕猴和人类拥有高度相似的视觉系统,非人灵长类视觉系统是智能化信息加工的理想模型,深入揭示跨脑区、多层级、多线程的信息加工原理对于构建和完善类脑的人工智能计算模型将有重要指导作用。

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中国科学院上海神经科学研究所研究员王征也表示,非人灵长类模拟动物一直被默认为是与人类脑功能结构较为接近的物种,以此来构建脑疾病模型具有天然优势,不仅可以筛选脑疾病药物,也有助于探索和研发新一代生理、物理治疗手段,包括各类神经调控技术以及脑机接口的神经工程技术。

基于影像学的树鼩全脑脑白质图谱

“本世纪生物科学最重要的就是搞清大脑图谱,针对灵长类大脑图谱的精准解析, 恐怕只有我们中国可以实现。我们的优势给了我们前所未有的契机,如果能够做起来,中国就会在这方面做到‘国际领跑’。”蒲慕明说。

瞄准主要突破口

中国脑计划可以概括为“一体两翼”:一体是以理解大脑的认知基础为中心,两翼分别是脑疾病诊断、治疗和类脑智能技术的发展。要想“两翼”丰硕,研究就要有所侧重。

蒲慕明表示,非人灵长类研究的意义及总体目标就是解析高级脑认知功能的神经基础及演化机制、脑重大疾病的机理和诊断干预手段的研发,以及解析宏观图谱的真实意义,近期最有可能有重大贡献的方向就是绘制细胞类型图谱、神经联接图谱和神经元活动图谱。

大会执行主席、深圳先进技术研究院—麻省理工学院麦戈文联合脑认知与脑疾病研究所研究员王立平根据与会专家的讨论结果,将可以应用于非人灵长类脑图谱解析用的关键技术凝练为七个方面:基因编辑及干细胞技术,遗传学标记与神经环路示踪技术,透明脑与快速光学成像及fMOST技术,单细胞转录组技术,光、电、磁等神经调控技术,活动图谱技术,灵长类脑认知范式的建立。

中国科学院院士、香港科技大学副校长叶玉如,以及中国科学院院士、中国医学科学院基础医学研究所教授强伯勤也认为,这些方法交叉应用于非人灵长类脑认知研究将成为未来脑科学发展的重要趋势之一。

对于非人灵长类基因编辑,大会执行主席、昆明理工大学灵长类转化医学研究院教授季维智表示,利用基因编辑从灵长类胚胎发育早期乃至个体,围绕影响神经发育和相关疾病的致病机理开展研究,是探索脑功能的有效途径。但他也指出,利用基因编辑技术在灵长类实现基因敲入至今仍是难题,加之人们所担忧的脱靶效应问题等都需要学界加强合作,寻求突破。

双光子显微成像技术是近年发展起来的用于研究活体情况下大脑功能活动的一种重要的光学成像技术,尤其适合活体组织深部成像,可以在动物认知行为的同时,以单个细胞的分辨率监测脑皮层数千个神经元的群体活动,也可以利用树突成像或结合光遗传学技术,研究脑皮层精细的神经线路,这都给脑认知神经科学研究提供了前所未有的新视角。

北京大学生命科学学院唐世明实验室就在清醒猴认知行为条件下,实现了稳定时间超过6个月的双光子成像。在他看来,清醒猴双光子成像技术在系统神经科学研究特别是脑高级认知的神经机制研究上,有极大的应用潜力。

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