中国科学家首次为同一神经元拍摄多模态影像

我们的大脑中蕴含着约860亿个神经元。有些神经元对棋盘格画面格外敏感，有些则只对特定方向的运动产生反应；有的如同枝繁叶茂的大树，轴突能够延伸至大脑的另一端，有的则安分地活动于局部区域。科学家们早已认知这些千奇百怪的差异，但始终有一个核心疑问悬而未解：一个神经元的分子组成、形态结构与其连接方式，究竟如何共同决定它的具体功能？理想的研究方案，是在同一个细胞上同步获取这三类信息。遗憾的是，现有技术难以实现——就像你既想拍照又想录像还想测基因，但三台设备互不兼容。

直到今天，这一技术僵局终于被打破。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王凯团队与徐圣进团队，携手攻克了技术瓶颈，首次给出了明确答案。他们自主研发了一套基于成像的多模态解析平台，在国际上率先实现了在同一神经元上同步解析其功能、结构和分子特征——打个比方，就是给一个细胞同时拍摄了“工作视频”“全身照”和“基因身份证”。2026年6月18日，这项突破性成果登上了国际顶级期刊《细胞》。

拥有海量数据，却如同座座“孤岛”

要理解这项成果的分量，需先回到神经科学的“底层困境”。

大脑是一个极其精密的信息处理系统，神经元则是其基本计算单元。100多年前，科学家就已观察到神经元形态的差异，但功能、分子与结构三者之间的关系，始终是悬而未决的核心问题。厘清这层关系，应用前景十分广阔——用王凯的话说，“就能像‘精准制导’一样调控相关神经元，这对脑疾病的精准治疗意义重大。”

目前，中国脑计划与美国脑计划均投入巨资，分别构建了海量的神经元分子、结构与功能数据库。但上个月，美国脑计划主任倪约翰（John Ngai）在一篇评论文章中一针见血地指出：这些数据库各自在领域内发挥了巨大作用，然而彼此之间缺乏联系，犹如一座座孤岛，限制了更大价值的释放。

要将这三座“数据孤岛”有效整合，几乎面临着不可调和的技术冲突——按下葫芦浮起瓢。例如，记录功能时需要给神经元表达钙离子探针，但该探针用于结构成像时亮度不足；又如，解析结构通常需要将实验鼠的脑切成薄片，但切片会导致神经元完整的3D形态丢失，分子信息也难以保留。

产出三模态“金标准”数据集

为解决这些难题，王凯与徐圣进两个团队从底层技术开始重新设计。他们开发了基于成像的神经元多模态解析技术，采用柔性透明材料替代传统的玻璃“窗口”，既保证功能数据获取最优，又避免损伤脑组织。

最棘手的一关是实现完整鼠脑的透明化处理。如果切片就会丢失三维信息，因此团队坚持对完整鼠脑进行透明化。但透明化过度会洗掉荧光蛋白，不透明又看不清深层结构。他们反复优化透明化配方，并自主开发了双光子显微镜——将一束光分成8束，同时进行8个不同深度的成像，将原本需要1个月的扫描压缩到100个小时，这才在“不太透明”的样本中实现了稳定高清成像。

不仅如此，他们还在200微米厚的鼠脑组织中完成了3D原位基因解析，最大限度保留了神经元的完整3D形态及局部空间微环境。

如今，这个基于成像的多模态解析平台不仅产出了141个神经元的完整三模态“金标准”数据集，还验证了形态与分子共同塑造功能，发现了RNA亚细胞定位的新维度。这些数据为未来脑图谱跨模态融合提供了坚实的锚点。研究产生的单神经元多模态数据已向全球开放（https://mouse.digital-brain.cn/trimodal）。

这项成果的背后，是两个研究团队长期、紧密的深度合作。王凯擅长光学成像与工程，徐圣进擅长分子解析与神经环路，两人在海外博士后期间就已相识，合作起来默契十足。而脑智卓越中心为这种高风险、长周期的原始创新提供了稳定支持——即使几年没有论文产出，所里依然认同这个方向的价值。这让团队能够沉下心来，把每一个细节打磨到极致。