上海科研团队完成神经元“身份证”版本更新！功能、结构、分子信息可同步录入

“神经元是大脑执行功能的物质基础。基于执行的功能不同，神经元之间存在从里到外的不同——不仅‘外貌’差别很大，内部‘基因表达’也是各有千秋。”王凯介绍说，研究人员很早就注意到了这些差异，也做了大量工作去解析其中的关联，“如果找到了神经元功能和其分子特征及结构联接的关系，就可以通过分子和结构特异的神经元靶向技术，非常精准地控制特定功能的神经元，对脑功能调控以及脑疾病治疗都有重大意义”。

过去数十年里，研究人员开发了只能单独针对神经元分子特征、全脑结构，或是在体功能的单模态解析技术，并以此构建了1.0版本的神经元“身份证”数据库。随着中国“脑科学与类脑研究”重大项目、美国 NIH BRAIN Initiative 等大规模脑研究计划的实施，研究人员已经在分子（细胞转录组）、结构（神经介观/微观联接）和功能（神经元活动记录）层面建立起庞大的数据库。这些海量数据在各自领域发挥着巨大作用，但彼此间割裂且碎片化，缺乏同一细胞水平的真实同源数据。

近年来，有研究团队尝试将神经元“身份证”升级到2.0版本，即开发“功能—分子”“功能—结构”“结构—分子”双模态整合技术，将其中两种信息实现关联。“目前，具备开展双模态研究能力的国内外实验室仍不多。看似我们可以利用共有模态，把两个双模态数据‘拼’成三模态，但实际上，由于不同模态间并非严格一一对应，这种拼接通常只能形成概率性的统计关联，加上误差传递与叠加，得出的三模态关联可靠性有限。”徐圣进说，“就像导航系统中的‘三角定位’，只有真正实现三模态同源解析，才能精准锁定神经元的真实身份，形成金标准的基准数据，也才有希望打破神经元研究中的各个‘数据孤岛’。”

冲击神经元“身份证”3.0版本，成为王凯与徐圣进的共同目标。而一度横亘在他们面前的困难重重：要在同一个神经元上顺序获取在体功能、全脑结构和分子特征，需要解决各模态测量技术之间的技术冲突，发展相互兼容的样本制备流程，保证细胞信息不丢失，可追踪；一个实验室难以同时处理多项技术挑战，如全脑结构重构和分子特征解析不兼容、发展兼容的全脑成像技术挑战大、与其他模态兼容的分子特征解析技术只有少数实验室掌握；联合解析成功率低，如果单模态解析的成功率就不高，顺序经过三个模态解析后，总的成功率会大幅度衰减，难以完成实验……

关关难过关关过。擅长光学成像技术的王凯与精通细胞分子研究的徐圣进取长补短、紧密合作，在长达9年的时间里，面对多次失败依然坚持不懈，最终突破了多项关键技术，构建了神经元“身份证”3.0版本制作工艺——IMC平台。值得一提的是，两项由团队自主研发的底层技术已申请发明专利：多平面并行化双光子显微镜，可在不切片的情况下，实现透明化全脑中单神经元形态高分辨率追踪重构；双色编码膨胀荧光原位杂交技术（2cEASI-FISH），可在厚脑片中，实现 mRNA 分子的超分辨定位检测，并将每轮基因检测通量提高至6个基因。

IMC平台的流程示意图

基于这些创新技术，IMC平台实现了活体功能记录、全脑形态重构、3D 原位分子检测等多重功能，打通了从活体功能记录到原位分子检测的全链路。例如，在清醒小鼠中进行在体双光子钙成像，记录初级视觉皮层神经元对视觉刺激和面部运动的反应；通过二次荧光标记、脑透明化和多平面并行化双光子显微成像，在完整小鼠脑中重构同一批神经元的全脑轴突投射和局部树突形态；利用2cEASI-FISH，在厚脑片中检测同一神经元的基因表达和RNA亚细胞定位。

IMC平台在解析小鼠初级视皮层神经元中的应用与主要发现

借助IMC平台，王凯与徐圣进为141个神经元制作了拥有完整三模态数据集的3.0版本“身份证”。这些“身份证”为单神经元研究提供了新范式。与传统方法相比，它使研究者能够从真实同源数据出发，分析分子身份、形态结构和功能响应之间的关系。

例如，对视觉刺激有特异响应的神经元，其全脑投射模式、局部树突形态、基因表达和 RNA 亚细胞定位据均表现出一定特征。多模态特征相结合，比单一模态能更准确地预测神经元的视觉响应类型。而将作为抑制性神经元标志基因的Vip表达水平与神经元胞体空间位置相结合，研究团队识别出一类此前未被充分认识的兴奋性投射神经元亚型。

“分子、功能、形态三模态，已经相对完整地囊括了神经元研究的各个方向，然而每个模态内部还有很多内容可以进一步细化。”王凯举例说，“如神经元之间的连接结构等，或许可以在三模态的基础上增加更多的细分模态。”这意味着神经元“身份证”还有进一步更新升级的空间。

未来，IMC平台将扩展到更多脑区、细胞类型和行为范式，用于解析任务相关计算、环路结构和分子身份之间的关系，也可用于研究脑疾病中特定神经元亚型的功能异常、联接改变和分子状态变化。