在我們身體內(nèi)部，存在著一個(gè)比任何人造網(wǎng)絡(luò)都要復(fù)雜精妙的系統(tǒng) —— 神經(jīng)系統(tǒng)。它宛如一張無(wú)形卻又無(wú)比精密的 “生命大網(wǎng)”，中樞神經(jīng)系統(tǒng)如同指揮中心，周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)則像無(wú)數(shù)條 “信息高速公路”，將大腦的指令傳遞到全身各個(gè)角落，同時(shí)又把身體各處的感知信息反饋回大腦。無(wú)論是我們?nèi)粘５呐e手投足、冷熱痛癢的感覺(jué)，還是心跳、呼吸等維持生命的基本活動(dòng)，無(wú)一不是在神經(jīng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)控下完成?？梢哉f(shuō)，理解神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，是解開(kāi)生命奧秘、攻克眾多疾病的關(guān)鍵鑰匙。

然而，長(zhǎng)期以來(lái)，神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域面臨著一個(gè)巨大的難題：如何全面且精細(xì)地描繪出這張 “生命大網(wǎng)”？周?chē)窠?jīng)纖維極其纖細(xì)，直徑往往只有發(fā)絲的幾十分之一，卻又像一團(tuán)錯(cuò)綜復(fù)雜的亂麻，蜿蜒曲折地遍布全身。要在 “看清” 單根神經(jīng)纖維細(xì)微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，“看全” 全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)，就如同在浩瀚星空中，既要清晰分辨每一顆微弱的星辰，又要把握整個(gè)星系的宏觀布局，這對(duì)傳統(tǒng)的成像技術(shù)而言，幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。受限于成像速度與分辨率，科學(xué)家們?cè)谔剿髦車(chē)窠?jīng)系統(tǒng)全貌的道路上舉步維艱，眾多關(guān)于神經(jīng)調(diào)控機(jī)制、神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)理的研究也因此裹足不前。

但就在近日，一項(xiàng)發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》的研究，宛如一道劃破黑夜的曙光，為這一困境帶來(lái)了革命性的解決方案。由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授畢國(guó)強(qiáng)、劉北明聯(lián)合合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的科研團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)不懈努力，成功開(kāi)發(fā)出世界上最快的小動(dòng)物全身亞細(xì)胞級(jí)高清三維成像技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠全身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精細(xì)三維圖譜的高清繪制，為我們打開(kāi)了一扇窺探神經(jīng)系統(tǒng)奧秘的全新窗口。

這項(xiàng)突破性的技術(shù)，宛如為小動(dòng)物打造了一臺(tái) “超級(jí) CT 掃描儀”，卻又遠(yuǎn)比傳統(tǒng) CT 強(qiáng)大得多。它究竟是如何做到在 “精度” 與 “廣度” 之間實(shí)現(xiàn)完美平衡的呢？科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了 “樣品原位切片 + 切面三維成像” 的獨(dú)特策略。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們先對(duì)經(jīng)過(guò)特殊處理、變得透明的小鼠樣品進(jìn)行逐層切片，然后針對(duì)每一層切片表面下 0.6 毫米深度的組織，進(jìn)行高精度的三維圖像拍攝。每完成一層拍攝，就精準(zhǔn)地切掉 0.4 毫米厚度的已成像組織，如此周而復(fù)始，循環(huán)推進(jìn)。經(jīng)過(guò)大約 200 多次的切片與成像操作，最終完成整只小鼠全身神經(jīng)圖像的采集工作。最后，借助強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)算法，將數(shù)百層圖像無(wú)縫拼接成完整的三維結(jié)構(gòu)。整個(gè)過(guò)程如同一位技藝精湛的工匠，精心雕琢一件珍貴的藝術(shù)品，不放過(guò)任何一個(gè)細(xì)微之處。

為了實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的流程，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出整合精密振動(dòng)切片裝置的 blockface - VISoR 成像系統(tǒng)，以及配套的小鼠全身透明化和水凝膠包埋的樣品制備流程 ARCHmap。這些創(chuàng)新技術(shù)的組合，讓成像效率較現(xiàn)有技術(shù)提升了數(shù)倍至數(shù)十倍，僅用 40 小時(shí)即可完成成年小鼠全身成像，獲取的原始圖像數(shù)據(jù)量高達(dá)單通道約 70TB，相當(dāng)于數(shù)千部高清電影的內(nèi)存大小。更令人驚嘆的是，其分辨率從傳統(tǒng)光片顯微成像的組織細(xì)胞級(jí)，大幅提升至均一亞細(xì)胞級(jí)，能夠清晰捕捉到直徑僅數(shù)微米的單根神經(jīng)纖維，真正做到了 “明察秋毫”。

憑借這項(xiàng)技術(shù)，研究人員在小鼠神經(jīng)系統(tǒng)研究中取得了一系列令人矚目的成果。他們首次發(fā)現(xiàn)了胸段脊神經(jīng)元跨多節(jié)段投射這一全新結(jié)構(gòu)特征，為理解脊髓神經(jīng)信號(hào)傳遞機(jī)制提供了關(guān)鍵線索；同時(shí)，成功解析了迷走神經(jīng)復(fù)雜的投射路徑，迷走神經(jīng)作為人體最長(zhǎng)、分布最廣的腦神經(jīng)，其功能涉及呼吸、消化、心血管等多個(gè)系統(tǒng)，對(duì)其路徑的精確解析，將有助于深入研究眾多相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制與治療方法。此外，研究團(tuán)隊(duì)還精確解析了腦神經(jīng)、脊神經(jīng)和自主神經(jīng)等不同類(lèi)型周?chē)窠?jīng)的三維連接結(jié)構(gòu)，為中樞 - 周?chē)窠?jīng)圖譜繪制、疾病機(jī)制解析等提供了全維度研究技術(shù)。

例如，在交感神經(jīng)系統(tǒng)研究方面，通過(guò)全身免疫熒光標(biāo)記，研究人員構(gòu)建出首個(gè)小鼠全身交感神經(jīng)系統(tǒng)的高精度圖譜，清晰地展示了全身交感神經(jīng)的器官特異性伴血管分布模式。這一成果對(duì)于理解人體在應(yīng)激狀態(tài)下，各器官如何通過(guò)交感神經(jīng)協(xié)調(diào)反應(yīng)，以及相關(guān)疾病（如心血管疾病、內(nèi)分泌失調(diào)等）的發(fā)病機(jī)制，具有不可估量的價(jià)值。

從更廣泛的應(yīng)用角度來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)的潛力堪稱(chēng)無(wú)窮。在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域，它為建立周?chē)窠?jīng)連接圖譜研究新范式奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使得科學(xué)家能夠從全新的視角，系統(tǒng)破解 “生命物聯(lián)網(wǎng)” 的線路圖，深入探究神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、進(jìn)化以及功能調(diào)控機(jī)制。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，通過(guò)全面且精準(zhǔn)定位神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病等）的早期結(jié)構(gòu)變異，有望明確疾病的致病機(jī)理，為開(kāi)發(fā)針對(duì)性的治療藥物和干預(yù)手段提供關(guān)鍵的底層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)支持。在藥物研發(fā)過(guò)程中，能夠以可視化方式評(píng)估藥物對(duì)全身組織和器官的靶向效果，大大加速新藥研發(fā)進(jìn)程，讓更多患者能夠早日受益于有效的治療藥物。在未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，甚至有可能通過(guò)人體成像，將具有千年歷史的人體解剖圖譜升級(jí)為具有細(xì)胞分辨率的介觀數(shù)字生命模型，為器官再造、組織工程等前沿醫(yī)學(xué)技術(shù)提供精準(zhǔn)的藍(lán)圖。

當(dāng)然，科研的道路永無(wú)止境，這項(xiàng)技術(shù)目前仍有諸多可優(yōu)化的空間。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃下一步通過(guò)使用雙相機(jī)或多相機(jī)成像進(jìn)行多通道圖像同時(shí)采集，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)采集效率；并積極探索其在更大尺度生物樣品成像領(lǐng)域中的應(yīng)用，為生命科學(xué)研究帶來(lái)更多的驚喜與突破。

《細(xì)胞》審稿人對(duì)這項(xiàng)工作給予了高度評(píng)價(jià)：“這些分析在群體和單細(xì)胞層面均產(chǎn)生了驚人的精細(xì)數(shù)據(jù)。尤為重要的是，這項(xiàng)技術(shù)的初步應(yīng)用為相關(guān)研究帶來(lái)了新見(jiàn)解。” 的確，這項(xiàng)全身 “高清全景成像” 技術(shù)的誕生，不僅僅是一次技術(shù)上的飛躍，更是神經(jīng)科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要里程碑。它讓我們距離全面理解神經(jīng)系統(tǒng)的奧秘又近了一大步，也為眾多飽受神經(jīng)系統(tǒng)疾病困擾的患者帶來(lái)了新的希望。相信在不久的將來(lái)，隨著相關(guān)研究的不斷深入，這項(xiàng)技術(shù)將如同星星之火，在生命科學(xué)的廣袤領(lǐng)域中引發(fā)一場(chǎng)璀璨的燎原之勢(shì)，照亮我們探索生命本質(zhì)、戰(zhàn)勝疾病的前行道路。