专访临港实验室李澄宇教授：绘制脑细胞图谱，用创新研究推动神经科学发展

试想一下，化学界没有元素周期表会是什么样子？

每个学科都需要这么一项“一统全局”的研究。化学经历了很长一段时间的发展，才摸清了最本质、最基础的规律，脑科学亦该如此。

脑科学学科起源可以从1906年算起。那一年，卡米洛·高尔基发明了高尔基染色法，圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔建立神经元学说，两人共同分享了诺贝尔生理学或医学奖，并为脑科学发展奠定了基础。

百余年过去，脑科学研究逐渐壮大，也诞生了几座里程碑式的成果，但关于人脑细胞的位置、作用等，依旧没能梳理出像“元素周期表”那样清晰的图谱——一是因为人脑研究太过复杂；二则是人脑研究还存在伦理问题。

2023年7月，《Cell》上刊登了一篇来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、华大生命科学研究院等单位联合发布的研究，这项研究发布了当时全球完整的灵长类脑细胞图谱，为脑科学发展树立了新的里程碑，也为阿尔兹海默病、帕金森病等脑疾病的研究提供了新的基础。

组织并参与这项研究的中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员（现临港实验室研究员）李澄宇告诉橙果局：“这项研究就是一本当前灵长类脑细胞最完整的‘说明书’。”

李澄宇至今还清楚的记得2021年2月6日，那日深圳阳光依旧和煦，唯有不时刮来几阵寒风还在宣示冬季的主权。在得知华大研究院顺利研发出时空组学芯片Stereo-seq 后，他和蒲慕明院士一同来到了深圳考察这项新技术。当时他们心中正酝酿着一项巨大的科研计划，那就是摸清“猕猴大脑皮层单细胞空间分布图谱”（后简称：猕猴脑细胞图谱）。

而这一天距离蒲慕明院士提出计划已经过去了三年。在这期间，团队一边推动着“脑功能链接图谱”研究等诸多与中国脑计划相关的研究，一边寻找合适的工具。而Stereo-seq 的诞生，让猕猴脑细胞图谱计划不再飘渺。

那日他们与华大集团董事长汪建、深圳华大生命科学院研究院院长徐讯相谈甚欢，双方对脑图谱计划的未来规划也一拍即合，很快就定下了合作。大年初二，华大研究所的20余位科研人员来到中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（后简称：神经科学研究所）参观学习，隔日便制定下了详尽的研究方案。彼时，团队对脑图谱计划即将启动的激动与忐忑，甚至超过了对新年的期待。

在国际上，脑细胞图谱研究一直都备受关注，竞争激烈，许多研究团队早就展开布局。如2013年美国发起的"脑计划" (Brain Initiative)，最终目标就是绘制世界上最全的人脑细胞图谱。项目已经运作了十年，投资近十亿美元，进展迅速，在2021-2023年间，已经有三次在自然与科学杂志上的系列性文章发表。

人脑细胞图谱难度颇高，许多团队都从摸清小鼠、鱼、黑猩猩等动物脑细胞图谱入手。蒲慕明与李澄宇团队选择了猕猴作为模式动物，而猕猴在进化上几乎是与人类相似程度最高的模式动物，难度也是不言而喻。但李澄宇和团队未曾想过放弃：“我们都清楚这是一项巨大的挑战，但怕挑战就做不好科研。”

让李澄宇没想到的是，项目在实验阶段便碰上了难题。

华大研究所为项目提供了先进的单细胞分辨测序芯片，并根据试验需求添加了捕捉细胞中RNA等功能。在先进科研工具支持下，读取空间转录组数据这种常规操作本该是轻而易举的事，可偏偏出现了细胞读取不完整的情况。

猕猴的脑组织有成年人拳头大小，为了精确定位每一个细胞的空间位置，团队必须将其切成10微米厚度的切片。但又正是因为切得太薄，切片就很容易呈卷曲状，无法完整的与芯片贴合，导致细胞读取不完整的情况。李澄宇举了一个“不太恰当”的例子：“就像涮羊肉片，切太薄就卷起来了。”

后团队尝试了各种办法，尝试了好几种程度的脱水、透明方案，最终通过最传统的方式解决了这一问题——将猕猴脑组织冷冻后切片，再用手温融化，保证无气泡的情况下贴于芯片上。

就这么反复切片，贴片，读取信息，一百余人的团队用了一个多月才完成一颗猕猴脑组织的细胞数据统计，一些科研人员打趣道：“这一个月大家都成了手艺人。”

正当项目即将开启下一步工作时，疫情爆发了，一切线下工作都只能陷入暂停。

谁都不知道多久才能返回实验室，为了将研究有序的推动下去，团队团队采用了有组织科研的方式。

 总体实验设计（图源：临港实验室）

团队来自海内外不同研究机构的106位科研人员组成，而各个团队擅长的方向，以及科研的风格也都各不相同。如腾讯 AI 实验室此前有丰富的AI处理单细胞测序上的经验，而临港实验室对细胞分类以及基因表达等颇为了解。为了将效率最大化，各个团队只负责自己最擅长的部分。

另外，为了细化实验进度，各团队每日早上开会，详细安排每一位科研人员的工作内容，并以20分钟为单位做出甘特图；中午个部门小会，交流实际操作与计划是否匹配；最后晚上开总结会，统一汇报研究进度。为了让各个团队都能相互融合，在研究期间，团队还开展了相关培训工作，以保证每位科研人员都能完成自己的工作任务。

短短2个月内，团队通过有组织科研的方式完成了猕猴大脑中超过60亿个细胞的分析，并在2021年11月完成了首次投稿。

遗憾的是，这次投稿并未通过。

之后团队经过总结反思，认为数据还有再挖掘的空间。于是他们又进行进行实验，利用Stereo-seq技术采集了3只猕猴左半脑的161张厚度为10微米的空间转录组数据，同时利用显微切割结合单细胞核转录组测序技术了、获得了百万级别的猕猴大脑皮层单细胞转录组数据。通过单细胞转录组和空间转录组整合分析，绘制了食蟹猴大脑全皮层的三维单细胞图谱。本次研究产生了超过300Tb的数据、获得超过4千2百万细胞的空间转录组信息，是当时脑空间组学研究领域产出的最大数据量。

受疫情的影响，研究在磕磕绊绊中缓慢进行着。终于在2023年5月研究被《Cell》所接收，并在7月正式上线。“得知论文被接收时，实验室都沸腾了。我想，这不仅是我们一个项目的成功，更是为脑科学发展打下了基础。”回顾做研究那三年，李澄宇依旧感慨万分。

猕猴脑细胞图谱研究，解析了皮层中细胞亚型的组成及其空间分布规律，对于阐明灵长类大脑的组织规律至关重要。

首先，它是当时最全面的一项关于灵长类大脑皮层细胞类型及其分子特征，同时定位了不同细胞类型的空间分布的研究。利用这个图谱，科学家们能够清楚地知道，猕猴大脑皮层中有哪些细胞类型、这些细胞类型分布在什么位置。

其次，它为人类攻克脑疾病打下坚实的基础。灵长类大脑神经细胞数量巨大，它们相互连接形成了复杂而又精细的支持高级认知和行为的特定神经环路，这些细胞和环路的异常导致了多种脑疾病。在摸清了脑细胞的位置与功能后，未来便有机会准确的找到中脑疾病靶点，为如今的一些“不可治疗”疾病提供精准治疗方案。

未来这项研究也有望推动脑科学领域的突破性进展。如在未来类脑智能和脑机接口的研究中，这项研究能够帮助科研人员寻找靶点脑区，进行精确的脑电信号采集，实现更复杂的机体活动。

另外，李澄宇认为这项研究或许是脑科学跨物种研究的起点。未来科研人员甚至可以通过探索乌龟、鸟、小鼠等更多模式动物的脑细胞图谱，探索在演化过程中脑的变化，破解脑区的未知。

当然，猕猴脑细胞图谱研究的更多价值，还需要在时间的验证。未来，脑图谱团队会将这一研究继续深入下去，并在脑疾病机制与靶点研发、脑细胞与脑结构演化、脑功能的细胞分子机制等领域继续攻关，让更多脑科学应用在中国生根。