我国科学家首次实现单神经元三模态完整解析突破脑科学瓶颈
中国科学院研究团队在国际顶级期刊《细胞》上发表重大成果，自主研发的IMC多模态解析平台在全球首次实现了对同一神经元的功能、结构和分子基因表达三类信息的高精度同步解析。该研究攻克了神经科学领域长期存在的“数据孤岛”技术瓶颈，通过创新的三步实验流程，成功获取了141个神经元的完整三模态数据集，并据此发现
近日，中国科学院一项具有突破性的研究成果，为全球脑科学领域提供了一种全新的关键实验工具。该研究首次实现了对同一神经元的功能活动、三维结构与分子基因表达三类信息的高精度同步解析，成功破解了长期困扰神经科学界的“数据孤岛”难题。
人类大脑由约860亿个神经元组成，要真正理解其运作机制，必须同步掌握每个神经元在功能、形态与分子三个维度的信息。然而，以往的技术只能分别检测这三类数据，导致无法进行有效的对比分析与融合研究。
自主研发平台攻克世界级技术难关
为突破这一瓶颈，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的研究团队从底层技术着手重新设计，联合打造了名为“IMC”的多模态解析平台。该平台依托两项自主创新的核心技术：一是高分辨率多平面并行化双光子显微镜，无需切割脑组织即可完整复原神经元在全脑范围内的神经纤维网络；二是双色膨胀荧光原位杂交技术，能够精准定位细胞内的基因分子，单次可同步检测6种基因。
三步流程实现数据精准匹配
整套实验流程分为三步：首先在清醒小鼠的大脑中实时记录神经元对视觉画面及面部动作的实时反应；随后完整复原同一细胞遍布全脑的神经纤维网络；最后精准捕捉细胞内部全部基因的分布与含量。三步操作全程保留细胞的空间位置信息，确保不同模态的数据能够实现精准对齐与匹配。
多项重要发现刷新传统认知
研究团队以小鼠初级视觉皮层为切入点，成功采集了207个具备在体功能活动和形态信息的神经元数据，并进一步获得了其中141个神经元的完整三模态数据集。基于这些真实同源的多维数据，团队取得了多项重大发现：对比单一维度数据，将细胞外形与基因信息相结合能够更精准地预测神经元的功能反应；研究还发现，信使RNA（mRNA）在细胞内的空间分布位置本身构成了一个新的分子特征维度，可用于辅助区分不同类型与功能的神经元。
此外，团队还发现了一类此前从未被完整界定的兴奋性神经元亚型，这类细胞同时表达抑制性神经元的特征分子，且对视觉刺激具有独特的响应特性，刷新了学界对神经细胞分型的传统认知。
开放数据与未来应用前景
该研究产生的单神经元多模态数据已向全球开放。研究团队表示，IMC平台使研究者能够从真实同源数据出发，分析分子身份、形态结构与功能响应之间的关系。未来该平台可扩展至更多脑区、细胞类型及行为范式，用于解析任务相关计算、环路结构与分子身份之间的关联，也可应用于阿尔茨海默病等脑疾病中特定神经元亚型的功能异常、联接改变与分子状态变化的研究。这项研究补齐了全球脑计划中缺失的关键实验工具，为绘制完整脑图谱、研发脑病靶向干预手段提供了重要的技术支撑。
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