【类脑智能】纳米尺度重建，让突触无从遁形

CASIA

点击蓝字关注我们↑↑↑↑

今日聚焦

自动化所微观重建与智能分析团队通过对关键技术进行攻关，建立了突触水平神经大数据重建与分析平台，在"纳米尺度、突触水平"上重建微观大脑，推开了我国绘制"微观大脑线路图"的大门。

远古至今，人类对大脑这一生物体最复杂、功能最强大的器官的探索从未停止过。通过对大脑微观层面的重建模拟大脑、了解大脑运作机制是目前脑科学领域的一个重要研究方向，不仅有助于人类脑疾病的治疗，还会对机器学习和智能产业的发展产生巨大的推动作用。

来自网络

然而，对大脑的微观重建绝非易事，哈佛大学教授Jeff Lichtman说："这是一个巨大的挑战，它的规模类似于人类基因组计划"。美国联邦政府高级情报研究计划署制定大脑皮层网络机器智能(MICrONS)计划，旨在逆向重建1立方毫米的大脑。在国内，今年召开的香山科学会议研讨了"全脑介观神经联接图谱"国际大科学计划的总体目标和研究内容，旨在实现高精度全脑神经联接图谱的绘制。

全脑神经联接图谱绘制所涉及科学问题的范围、规模、成本和复杂性，需要多学科、优势互补的各国科学家共同参与。针对该项计划，中国科学院自动化所微观重建与智能分析团队开展了脑微观重建工作。通过对关键技术进行攻关，建立了突触水平神经大数据重建与分析平台，推开了我国绘制"微观大脑线路图"的大门。

突触水平神经大数据重建与分析平台

绘制"微观尺度大脑路线图"的技术路线

大脑神经组织在完好制样后被切成极其细薄的切片，在高度集成化的显微镜集群中成像，再通过智能化识别的软件平台，对神经大数据进行标注分析和三维重建，呈现出脑细胞彼此连接而形成的线状延伸，构建出一幅幅微观"大脑线路图"。这张图精细到纳米尺度，可以显示神经元的突触结构。

神经元的突触结构示意图

平台技术攻关

中国科学院自动化研究所微观重建与智能分析团队研发的突触水平神经大数据重建与分析平台现已具备国内最高通量的显微成像能力、大数据的自动分析能力，主要涵盖样品制备、显微成像、图像配准以及三维重建等核心功能。

样本制备方面：微观重建团队建立了完善的生物电镜制样系统，在获得结构完好、功能表达显著的样品树脂包埋块基础上，利用纳米尺度超薄切片机对样品进行连续超薄切片，并通过传送带对超薄切片进行自动化收集。该系统解决了大体量生物序列超薄切片的制备和收集问题，目前已完成果蝇视叶、斑马鱼脑、鼠脑等典型模式动物的自动切片与三维成像工作。

高速电镜方面：针对传统扫描电镜存在着扫描效率低、序列配准难的问题，微观重建团队提出了高通量扫描电镜三维影像系统解决方案，并与聚束科技（北京）有限公司联合研制适用于生物序列切片的定制化系统。通过电镜探测器优化设计、序列成像稳定控制和实时在线配准系统，该系统的成像速率较传统电镜提高了1~2个数量级，技术指标可与国际先进系统进行对标比较。相关进展纳入中国工程院院士建议《关于支持用户定制化扫描电镜生产和应用的建议》，报送有关部门及单位、工程院院士。

生物切片序列高通量扫描电镜三维影像系统

图像配准方面：在微观尺度上获得生物组织的三维影像数据，需要对电镜采集的生物组织序列切片图像进行配准，序列切片电镜图像配准是保证神经结构识别正确性的基础。由于30～50纳米厚度的生物组织超薄切片在制样过程中会产生各种非线性形变，同时相邻切片间的形貌变化导致切片间无明确的对应点。微观重建团队自主研发了生物组织序列切片三维配准系统，该技术使得生物组织在变换后的图像中仍保持其原有形状，确保了后续神经结构识别的准确性。

三维重建方面：神经元自动识别效率是限制神经微观重建向更大范围更大体量拓展的瓶颈所在，包括突触、树突棘、线粒体、细胞膜等。微观重建团队依据神经元细胞的形态特征，设计了多种深度神经网络进行神经元自动检测算法，研发了一套从海量光学到电镜图像数据中快速检测定位突触、线粒体和神经元的算法集。该套算法有效解决了自动检测和形态重建的困难，大幅降低了重建工程的时间消耗，并在International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI)和Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention (MICCAI)举办的神经元分割国际竞赛中名列前茅。

算法模型以及神经元、线粒体的分割重建结果

平台运行成果

目前平台已成功完成国内首套线虫、果蝇蘑菇体竖直叶、斑马鱼脑和小鼠皮层的序列切片配准，为突触水平神经回路重建提供了良好的数据资源；在此基础上，对鼠脑皮层组织以及果蝇蘑菇体的部分线粒体、突触和神经元进行了重建，重建结果将为神经科学家的研究提供有力支撑。

生物切片序列微观尺度三维配准结果

①平台重建成果: 鼠脑皮层区域

② 平台重建成果: 果蝇蘑菇体区域

随着重建平台各环节技术的日趋完善，微观重建团队已与清华大学、北京大学、中国科学院生物物理研究所、中国科学院神经科学研究所等科研单位多个课题组进行深度合作，并参与到"全脑介观神经联接图谱"国际大科学计划的筹备工作中。未来，重建平台将依托北京怀柔综合性国家科学中心"脑认知功能图谱与类脑智能交叉研究平台"，面向国家重大任务，致力于提供一站式、大体量、高通量的全套技术解决方案。

更多精彩内容，欢迎关注

中科院自动化所官方网站：

http://www.ia.ac.cn

欢迎后台留言、推荐您感兴趣的话题、内容或资讯，小编恭候您的意见和建议！如需转载或投稿，请后台私信。

来源：自动化所微观重建与智能分析团队

编辑：鲁宁、欧梨成

长

按

关

注

解锁更多智能之美

中科院自动化研究所

微信：casia1956

欢迎搭乘自动化所AI旗舰号！