第四届“创意光电”科普大赛参赛作品展示（32）: 2022大脑漫游指南

2022大脑漫游指南

参赛者：朱天放

简介：

你知道意识是如何产生的吗？大脑是产生意识的主要器官，神经元是大脑基本的信号处理单位。想要弄清楚意识如何产生，就必须排查出大脑中所有神经元的形态、位置以及它们之间的连接关系。二十世纪的科学家们只能在二维层面观察若干神经元的平面结构，但随着技术的发展，当代神经科学家们能够在三维脑空间中同时观察上千个神经元的形态，这得益于一种融合了“标记”、“成像”与“重建”的技术手段。

中国科学家重建的小鼠前额皮层神经元

1. 稀疏标记

大脑内神经元众多且相互缠绕，从中区分出单神经元的完整结构是个难题。生物学家们研制出了一种基于病毒载体的稀疏标记方法，利用病毒的特异性结合，能够只“点亮”特定区域、特定类型的单个神经元，从而帮助科学家们看到神经元的全貌。

2. 切片成像

对于稀疏标记好的脑样本（例如鼠脑样本），借助断层成像系统对且进行切片成像，可以得到一系列空间连续的鼠脑图像。在亚微米分辨率，一套鼠脑成像数据就可以达到TB级别，有力地考验了科学家们的数据处理、存储能力。

左：显微切片断层成像系统；右：一种鼠脑切片图像

3. 神经元重建

从海量鼠脑切片图像中识别并恢复神经元信号，就可以重建出单个神经元的完整形态。利用这一套技术方法，科学家们相继重建出了果蝇大脑所有神经元和五十万立方微米大小的小鼠大脑。2022年，中国科学家们成功重建了小鼠前额皮层的6357个神经元。

40万亿像素的果蝇大脑三维重建