世界首次实现单神经元三模态整合解析！沪科学家为破解脑功能密码提供全新工具
中国科学院团队首次实现单个神经元功能、结构、分子三模态同步解析，建成全球首个分析平台。基于二次病毒注射、双光子成像和空间转录组技术，在小鼠视皮层获取141个神经元数据集，揭示功能由分子、结构与环路共同塑造，为脑功能解析和精准调控提供新工具。
人类大脑中大约有860亿个神经元，它们的形态千差万别，连接方式更是错综复杂，共同编织出支撑感知、记忆、思维和行为的神经网络。但有一个问题，多年来一直困扰着整个脑科学界：神经元的功能、结构和分子特征这三者之间，到底是怎么相互关联、又是如何相互塑造的？
北京时间18日深夜，国际顶级学术期刊《细胞》（Cell）在线发表了一项来自中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的重磅研究。由王凯研究员和徐圣进研究员带领的团队，首次实现了对单个神经元进行“功能、结构、分子”三种关键信息的同步整合解析，建成了全球首个单神经元三模态分析平台。这套新工具，有望从根本上改变我们对神经元功能形成机制的理解。
东方IC 图
神经元三模态联合解析为何困难
长期以来，科学家们基本上是从三个不同的维度来“解剖”神经元。功能研究告诉我们的是，这个神经元在处理什么信息；结构研究勾勒出，它如何与其他神经元连接，形成神经环路；而分子研究则负责揭示，它究竟属于哪种细胞类型、表达了哪些基因。
问题是，这些数据就像是散落一地的拼图碎片，彼此之间缺乏有效的关联。不妨先想象一下，如果神经元是一个人，过去我们可能只知道他的职业、住址或兴趣爱好中的某一项，但就是没法确认这些信息到底是不是属于同一个人。正如美国脑计划主任倪约翰（John Ngai）在不久前的一篇评论文章中指出的那样，单模态数据之间的割裂，已经成为我们深入理解大脑的最大障碍之一。
那么，能不能在同一个神经元上，同时拿到它的功能、结构和分子信息？这确实是当前研究和技术的前沿。但说起来容易，做起来难。多模态联合解析，面临着好几道硬骨头。
“首先，不同模态的测量技术之间存在冲突，很难兼容在一起；其次，全脑结构重建和分子特征解析，分属完全不同的技术体系，单个实验室很难同时驾驭；再者，经过三个模态、几十道工序、历时两个多月之后，最终的成功率往往会大幅下降。”王凯研究员打了一个比方，这些技术壁垒就像三座大山，横在人类更深入地理解大脑的路上。
破解技术瓶颈，在完整鼠脑中实现高精度追踪
为了完成这个看似“不可能的任务”，研究团队花了将近九年的时间攻关，最终发展出三大核心技术。
首先是建立一套兼容的多模态解析流程。团队创造性地发明了“二次病毒注射技术”，解决了功能成像与结构成像在标记上的冲突，并开发了“柔性窗口技术”，让小鼠在完成功能性记录后，依然能够进行第二次标记。同时，借助完整鼠脑透明化成像技术，绕开了传统切片法对后续分子检测的致命干扰，确保了细胞三维空间信息的完整保留。
其次，为了实现对整个完整鼠脑（不切割）的高分辨成像，团队自主研发了一套“并行化双光子成像技术”。这项技术相当于一次性派出八个“侦察兵”，同时扫描不同深度的脑组织。结果就是，单个鼠脑的成像时间从原来需要整整一个月，被压缩到了大约100个小时。更关键的是，它还能容忍样本深处难以完全透明化的缺陷，稳定、高速地解析出单个神经元跨越整个大脑的精细投射路径。
最后，在分子解析层面，团队开发了名为“2cEASI-FISH”的厚组织三维空间转录组技术。通过组织膨胀、信号链式放大和双色编码等一系列创新方法，实现了对单个RNA分子在三维空间中的精准定位成像。
依托这套强大的技术平台，团队已经在小鼠初级视皮层中，成功获取了141个神经元的“三模态”完整数据集。
为脑疾病精准调控提供新抓手
借助这个平台，研究团队也确实发现了一些饶有趣味的现象。研究发现，神经元的功能并非单纯由基因表达或形态结构中的某一方面决定，而是由分子特征、细胞形态和神经环路连接共同塑造的。当结构和分子信息结合起来之后，对神经元功能的预测能力出现了显著的提升。
另一个有趣的发现是，RNA在细胞内部的位置分布本身，就是一种全新的生物学信息。同一个基因，哪怕表达量完全一样，只要分布在不同亚细胞区域，它对应的结构和功能就可能大相径庭。
此外，团队还发现了一类同时表达了兴奋性和抑制性神经元标志物的特殊细胞，并且揭示了它与特定视觉刺激响应之间的关系。这为理解神经元的分类和信息处理机制，提供了全新的线索。
王凯研究员强调，这项成果的意义绝不限于基础科学发现。它为未来更精准的脑调控提供了一张“导航图”。很多脑调控和疾病治疗策略，都需要精准靶向特定功能的神经元群体。而三模态整合技术，有望让科学家们通过分子和结构特征，精准锁定那些具有特定功能的神经元群体，从而实现更精准的神经调控。
WPS Office是一款面向macOS用户的综合办公套件，将文字处理、电子表格、演示文稿、PDF工具、模板与云协作整合在同一应用中。它兼容常见Microsoft Office格式，支持Intel及Apple芯片Mac，基础功能可免费使用，
Shapr3D是一款面向工业设计、机械工程、建筑概念和三维打印工作流的CAD软件。Mac版采用Parasolid建模内核，支持草图约束、实体建模、工程图、可视化渲染及常见CAD格式交换，并可通过账户在多台设备之间同步项目。
REAPER是Cockos开发的数字音频工作站，提供多轨音频与MIDI录制、剪辑、处理、混音和母带制作工具。Mac版兼容Intel与Apple芯片，支持AU、VST、VST3、CLAP等插件格式，并提供高度可定制的工作流程。
Ableton Live 是面向音乐制作人与现场表演者的数字音频工作站，提供编曲视图、独具特色的现场视图、音频录制、MIDI创作、实时变速、乐器及效果器。Mac版原生支持Apple芯片，并可连接音频接口、MIDI控制器和第三方插件。
Adobe After Effects 是面向动态图形、影视特效与视频合成的专业创作软件。它提供关键帧动画、遮罩抠像、运动跟踪、三维空间、文字动画和表达式等工具，并可与 Premiere Pro、Photoshop、Illustrator
Adobe Audition 是面向播客、影视后期、音乐制作及内容创作者的专业音频工作站，提供波形精修、多轨录制与混音、频谱编辑、降噪修复、响度匹配和效果处理工具，并可与 Adobe Premiere 协同完成视频声音制作。
Adobe Bridge 是面向摄影师、设计师及内容团队的免费数字资产管理工具，可集中预览照片、视频和 Adobe 项目文件，并利用评级、标签、关键词、元数据、筛选与收藏集完成分类检索。它还支持批量重命名、格式导出、相机导入及 Camera
Adobe Illustrator 是 Adobe 推出的专业矢量图形设计软件，适合在 Mac 上制作标志、图标、插画、包装、信息图及印刷版面。它以路径和锚点构建可无损缩放的图形，并提供钢笔、形状、文字、图像描摹、渐变、画板及生成式功能。
Adobe InDesign 是面向印刷品与数字出版物的专业版面设计软件，可在 Mac 上制作书籍、杂志、宣传册、海报、报告及交互式文档。它提供精细的文字样式、网格、母版、长文档管理和印前输出能力。
Adobe Lightroom Classic 是面向桌面摄影工作流的照片管理与后期处理软件，可将原始照片保存在本地硬盘，通过目录、关键词、评分和收藏夹高效整理图库，并提供 RAW 冲印、蒙版、镜头校正、批量同步及多格式导出等功能。
Adobe Media Encoder 是 Adobe 推出的专业音视频编码与转码工具，可通过队列、预设和监视文件夹批量完成格式转换、代理文件创建及多平台成片输出，并与 Premiere Pro、After Effects 等软件紧密协作。
Adobe Photoshop 是面向摄影师、设计师和内容创作者的专业图像处理软件，提供图层、蒙版、选区、修复、调色、文字排版、智能对象及生成式编辑等能力。Mac 版支持 Intel 与 Apple Silicon 处理器。
Autodesk Fusion 是面向产品设计与制造的云连接开发平台，在统一环境中整合三维 CAD、CAM、CAE、PCB、工程图、数据管理和团队协作功能，适合产品设计师、机械工程师、电子工程师及加工制造团队完成从概念建模、验证分析到生产交
Archicad 是 Graphisoft 面向建筑师、设计师、工程师及 BIM 团队开发的建筑信息模型平台。它把三维建筑建模、施工文档、数据管理、专业协调、实时协作和可视化集中在统一项目环境中，适合从概念方案到施工交付的完整建筑设计流程。
Vectorworks Architect 是面向建筑师、室内设计师和建筑顾问的综合设计与BIM平台，覆盖概念草图、二维制图、三维建模、施工文档、数据报表、可视化及开放式协作。它强调自由造型与数据化建筑对象并存，
Shapr3D 是一款基于 Siemens Parasolid 几何内核的专业三维CAD软件，可在 Windows 电脑和平板设备上完成草图绘制、实体建模、参数化修改、模型可视化及技术图纸制作。软件提供免费基础方案，
FreeCAD 是面向机械设计、产品开发、建筑建模和创客项目的免费开源参数化三维 CAD 工具。它可在 Windows 上完成约束草图、实体零件、装配、工程图、BIM、有限元分析及 CAM 等任务，
Twinmotion 是 Epic Games 推出的实时三维可视化工具，可导入常见 CAD、BIM 与三维模型，通过材质、环境、植被、灯光及动画资源快速构建场景，并输出图片、视频、全景图和交互演示。
BricsCAD 是以 DWG 为核心格式的专业 CAD 平台，可用于二维制图、三维建模、工程文档与设计协作。产品按 Lite、Pro、BIM、Mechanical 和 Ultimate 等层级提供不同工具，
Ableton Live 是面向音乐创作、录音、编曲、声音设计、混音与现场演出的数字音频工作站。它将适合即兴触发素材的 Session 视图与传统时间线编曲结合，并提供音频变速、MIDI工具、软件乐器、效果器和声音资源，
FL Studio 是 Image-Line 推出的数字音频工作站，面向音乐制作人、编曲者、歌手及声音设计人员。它将步进音序、钢琴卷帘、音频录制、剪辑、混音、自动化和插件宿主整合在统一环境中，并提供大量乐器、效果器、采样与预设。
Pro Tools 是 Avid 推出的专业数字音频工作站，提供多轨录音、音频剪辑、MIDI编曲、插件处理、自动化混音及影视声音制作能力。它适合音乐人、录音师、制作人和音频后期团队使用，并提供免费入门版、订阅方案及永久授权选择。
Adobe Audition 是面向播客、影视后期、广播与音乐制作的专业音频工作站，提供波形编辑、多轨混音、频谱分析、录音、降噪修复和效果处理等功能。Windows 版通过 Adobe Creative Cloud 安装和管理，
REAPER 是 Cockos 推出的数字音频工作站，适用于录音、MIDI 编曲、音频编辑、混音、母带制作及声音设计。软件安装包小巧，支持多轨录制、灵活路由、自动化、第三方插件和脚本扩展，并提供完整功能的 60 天免费评估期。