IT之家 6 月 19 日消息，據(jù)央視報道，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王凱研究團隊與徐圣進研究團隊聯(lián)合在國際頂級學(xué)術(shù)期刊《細胞》上發(fā)表了一項重磅研究成果。

研究團隊自主研發(fā)出基于成像的多模態(tài)解析平臺“IMC”（Imaging-based Multimodal Characterization），在全球范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了對同一神經(jīng)元的功能活動、三維結(jié)構(gòu)和分子基因表達三類信息的高精度同步解析。

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

• 一是功能，即細胞如何響應(yīng)外界刺激、處理信息；

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

• 三是分子，即細胞內(nèi)部的基因表達和蛋白質(zhì)組成。

然而，長期以來，全球神經(jīng)科學(xué)界面臨一個根本性的技術(shù)瓶頸 —— 神經(jīng)元的分子、結(jié)構(gòu)和功能這三類數(shù)據(jù)只能在不同實驗體系下分開檢測。不同檢測設(shè)備與實驗流程互不兼容，導(dǎo)致功能、結(jié)構(gòu)、基因數(shù)據(jù)各自獨立，形成了一座座無法打通的“數(shù)據(jù)孤島”。

盡管各國腦科學(xué)計劃已積累了海量的單模態(tài)數(shù)據(jù)，但由于缺乏來自同一個神經(jīng)元的對應(yīng)關(guān)系，這些數(shù)據(jù)無法進行有效的對比分析與聯(lián)合解析。此前，國際上雖有研究報道了能夠?qū)崿F(xiàn)兩類信息合并檢測的技術(shù)，但三類信息的同步解析始終未能突破。

為攻克這一世界級難題，王凱與徐圣進兩個研究團隊從底層技術(shù)開始重新設(shè)計，聯(lián)合攻關(guān)。他們打造的 IMC 多模態(tài)解析平臺打通了從活體觀測到基因檢測的完整實驗鏈路。

該平臺依托兩項自主研發(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)，能夠精準定位細胞內(nèi)的基因分子，單次可同時檢測 6 種基因。

整套實驗流程分為三步：首先在清醒小鼠的大腦中實時記錄神經(jīng)元對視覺畫面及面部動作的實時反應(yīng)；隨后完整復(fù)原同一個細胞遍布全腦的神經(jīng)纖維網(wǎng)絡(luò)；最后精準捕捉細胞內(nèi)部全部基因的分布與含量。三步操作全程保留細胞的空間位置信息，確保不同模態(tài)的數(shù)據(jù)能夠精準匹配對齊。

依托 IMC 平臺，研究團隊以小鼠初級視覺皮層為切入點，成功采集了 207 個具有在體功能活動和形態(tài)信息的神經(jīng)元數(shù)據(jù)，并進一步獲得了其中 141 個神經(jīng)元的完整三模態(tài)數(shù)據(jù)集。基于這些真實同源的多維數(shù)據(jù)，團隊取得了多項重要發(fā)現(xiàn)：對比單一維度數(shù)據(jù)，將細胞外形與基因信息相結(jié)合能夠更精準地預(yù)判神經(jīng)元的功能反應(yīng)；研究還發(fā)現(xiàn)，信使 RNA（mRNA）在細胞內(nèi)的空間分布位置本身構(gòu)成了一個新的分子特征維度，可用于輔助區(qū)分不同類型和功能的神經(jīng)元。此外，團隊還發(fā)現(xiàn)了一類此前從未被完整定義的興奮性神經(jīng)元亞型，這類細胞同時表達抑制性神經(jīng)元的特征分子，且對視覺刺激具有特殊的響應(yīng)特性，刷新了學(xué)界對神經(jīng)細胞分型的固有認知。

該研究產(chǎn)生的單神經(jīng)元多模態(tài)數(shù)據(jù)已向全球開放。研究團隊表示，IMC 平臺使研究者能夠從真實同源數(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。未來該平臺可擴展到更多腦區(qū)、細胞類型和行為范式，用于解析任務(wù)相關(guān)計算、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。這項研究補齊了全球腦計劃缺失的關(guān)鍵實驗工具，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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