今日热闻!这个大科学计划有新进展：大脑皮层存在“双极地图”

随着科学技术的进步，人类眼中的大脑变得越来越复杂——从几十个脑区到几百个脑区，从几种细胞到两百多种细胞。面对如此海量且复杂的脑图谱数据，大脑背后是否存在一个简单的组织规律？一项关于脑图谱的科研成果有了新的发现。

北京时间4月17日凌晨2点，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心刘赐融研究组和孙怡迪研究组、杭州华大生命科学研究院副研究员郝世杰、澳大利亚莫纳什大学教授马塞洛·罗萨（Marcello Rosa ）团队合作，在Science期刊发表研究论文，该发现为长期以来关于大脑皮层扩张与组织起源的学术争论提供了新的整合性解释。

刘赐融研究员对第一财经记者解释，大脑皮层是哺乳动物负责感觉处理、运动控制及高级认知功能的核心结构。在灵长类漫长的进化历程中，大脑皮层经历了剧烈的表面积扩张，形成了高度多样化的功能区域。然而，这一复杂的皮层组织究竟是如何构建的？学界长期存在两种截然不同的理论推测，也就是双重起源假说和锚点/系带等多种假说。

(资料图片)

而要全景式解析灵长类大脑的组织原则，须将微观的基因表达信息与宏观的神经连接数据进行整合。然而，传统研究面临着巨大的技术挑战：灵长类大脑体积巨大且皮层高度折叠（沟回），因此，他们选择将“普通狨猴”作为动物模型。

“狨猴大脑保留了灵长类皮层的所有核心区域，且表面光滑缺少沟回。二维切片能够完整覆盖皮层各层结构，更大幅降低了数据重建与配准的复杂性。”他解释。

具体操作上，他们首创性地将绒猴的空间转录组数据“摊平”并进行了三维重建，就像把地球仪展开成一张世界地图一样。随后，将磁共振成像、神经示踪等所有能收集到的多模态数据，全部整合到了这一张“地图”上。通过大规模的数据分析，团队得到了一个结论：两种说法都只说对了一部分。

研究发现，大脑皮层里，藏着两个方向相反的“分子梯度轴”，这一轴有两个端点。一个端点位于古老皮层，犹如城市里的“老城区”，处理情绪记忆。另一个端点位于初级感觉皮层，犹如城市中的“工业区”，处理感觉输入。城市从这两个端点向中间扩展，交汇处形成创新区，负责思考、决策、想象，是高级认知的“联合皮层”。

这个“双梯度轴”并不是长大后才有，而是出生时就画好了蓝图。随着发育，它变得越来越精细，像是被后天经验和基因程序共同打磨出来的“智慧地图”。而且，这张地图不只存在于皮层。研究发现，丘脑作为“信息中转站”—也在用同样的梯度轴组织自己。它们像镜子一样，彼此呼应，协同工作。

这一“双极地图”的发现，也为类脑智能的探索带来新启发——未来的神经网络，或许可以借鉴大脑这一双梯度结构，构建出更高效、更灵活的类脑智能系统。

“我这个工作也是‘全脑介观神经联接图谱’大科学计划的一部分。”他告诉记者，这项工作的起点，源于中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明院士在“全脑介观神经联接图谱”大科学中的布局。最初，刘赐融参与了狨猴项目，并组建了“狨猴空间转录组小组”。

然而，团队在一开始面临着一个巨大的跨学科鸿沟：做空间转录组的专家不懂核磁共振，而做磁共振的专家也不懂空间转录组。面对庞大的数据，该如何下手？在这个关键节点，刘赐融提出了一个策略：先从自己最熟悉、已有研究基础的“小脑”入手。作为“实战练兵”的试验田，结构相对规律的小脑帮助团队熬过了漫长且痛苦的磨合期，并借此开发出全新的三维分析框架，首次将微观基因数据与宏观影像数据精准配准在同一个坐标系下。正是凭借小脑项目打磨出的这套“技术底座”与跨界默契，联合团队才有了向极度复杂的大脑皮层发起总攻的底气，并最终发现这张终结百年争议的“双极地图”。

“在论文审稿期间，我们遇到了非常专业且严苛的审稿人。为了让研究更加完善，甚至主动向编辑申请延长修改时间，补充了大量关于大脑连接组和发育阶段的数据。”刘赐融说。

《Science》审稿人评价道，这一强大的跨模态整合技术手段，成就了一项令人瞩目的独创性突破（tour de force）。它为理解大脑组织规律的演化奥秘提供了全新的视角，不仅将引起神经生物学界的强烈共鸣，更将产生深远的跨学科影响。研究揭示了大脑中一条引人瞩目的分子与细胞梯度轴，这一发现有望成为未来整个哺乳动物大脑研究的奠基性模型。

此外，审稿人认为研究对临床转化应用的探讨，使读者能够深刻认识到“Pr-Al轴”（初级-联络皮层梯度轴）在漫长的生物演化进程中，以及在破解人类脑疾病与健康障碍方面的重大意义。