在人類探索自然的征程中，始終存在兩大終極命題：向外探尋宇宙運行規律，向内破解意識産生之謎。如果說天文望遠鏡延伸了人類的宇宙視野，那麼高精度腦科學圖譜的誕生，則為照亮人類認知的“内在宇宙”提供了關鍵工具。2025年7月，中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心聯合國内外30餘家科研機構，集中發布十項腦圖譜研究重大成果，标志着我國在腦科學領域實現關鍵性突破，為人類理解大腦邁出堅實一步。
大腦：人類科學的“終極挑戰”與突破方向
大腦是自然界最精妙的“造物”——僅1.4公斤的器官中，蘊藏着約860億個神經元，每個神經元可形成上千個連接，構成上萬億條信息傳遞通路。就在閱讀這句話的瞬間，數百億個神經元同步協作，完成視覺信号處理、文字理解、記憶調用等複雜任務。長期以來，科學家們夢寐以求繪制一份完整的“大腦地圖”：标注神經元位置、描繪連接網絡、解析功能機制，這一夢想自現代神經科學之父拉蒙·卡哈爾提出“神經元學說”以來，已延續百年。
破解大腦的核心難點在于其“動态複雜性”：不僅要厘清海量神經元的靜态連接，還要捕捉神經網絡的動态變化——連接會随經驗強弱調整、新舊更替。此次中國科學家的突破，精準聚焦“介觀尺度”這一關鍵領域，為破解難題提供了全新思路。
介觀尺度成像：看清大腦的“街道與街區”
腦科學研究存在三個關鍵尺度：微觀尺度聚焦神經元“一磚一瓦”，宏觀尺度實現全腦“衛星俯瞰”，而介觀尺度則如同“漫步街道”——既能看清神經元細節，又能理解網絡連接布局，正是解析大腦功能的核心尺度。因為大腦功能并非依賴單個神經元，而是源于神經元網絡的活動模式，如同交響樂的魅力在于旋律與和聲的協同。
中國科學家研發的系列新技術，讓介觀尺度觀察成為現實。其中超高速VISoR技術創下驚人效率：40小時内即可完成成年小鼠全身三維成像，分辨率達微米級别，既能清晰呈現單個神經元形态，又能追蹤軸突、樹突的延伸分支與連接軌迹。更值得關注的是，團隊将技術升級應用于猕猴大腦——作為與人類親緣關系最近的實驗動物，猕猴大腦結構與人腦高度相似，體積卻比小鼠大腦大數百倍，全腦成像難度呈指數級提升。研發的LV-fMOST技術首次實現猕猴全腦亞微米級三維成像，堪稱技術革命。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
空間轉錄組：給神經元貼“功能身份證”
看清神經元的形态與連接隻是第一步，明确其“身份信息”——類型、基因表達、功能分工，是解析大腦的關鍵。傳統基因測序需分解組織，雖能獲取基因信息卻丢失空間位置;而空間轉錄組技術可在保持組織完整的前提下，檢測不同位置的基因表達，為每個細胞貼上“功能身份證”。
華大生命科學研究院開發的Stereo-seq技術實現重大突破，以接近單細胞的分辨率檢測組織切片基因表達，生成超高清“分子地圖”。借助該技術，研究團隊有了諸多新發現：GABA能神經元在從烏龜到人類的多個物種中，均扮演大腦活動“刹車系統”的抑制性調節角色;鳥類小腦中的特殊浦肯野細胞亞型，可能與其高超飛行能力相關;靈長類大腦的中間神經元類型更豐富，為複雜認知功能提供支撐。
意識之謎新線索：屏狀核的“連接樞紐”作用
深藏大腦内部的“屏狀核”，長期被推測為意識産生的關鍵部位，DNA雙螺旋結構發現者之一弗朗西斯·克裡克晚年便專注于此。此次研究為解析屏狀核功能提供了重磅線索：通過精密神經追蹤技術，團隊發現猕猴屏狀核具有極其廣泛的連接——幾乎與大腦皮層所有區域相通，是名副其實的“信息整合樞紐”。
更關鍵的是，屏狀核并非均一結構，而是分為四個亞區，每個亞區有特定連接模式與細胞類型：前部亞區連接感覺皮層，後部亞區關聯高級認知區域。這種精細結構使其能夠整合全腦信息，形成統一意識體驗。研究還發現，靈長類屏狀核更發達，存在特有細胞類型，這或許是人類擁有豐富意識與自我認知的重要原因。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
靈長類大腦的智慧設計：精簡高效的連接藝術
前額葉皮層作為大腦“CEO”，負責決策、規劃等高級認知功能，人類前額葉皮層占大腦皮層近30%。研究團隊利用自主開發的Gapr神經元追蹤系統，重構2231個猕猴前額葉皮層投射神經元的完整形态——每個神經元重構需追蹤軸突分支延伸軌迹，部分軸突可延伸至數厘米外腦區，工作量極為龐大。
分析結果颠覆傳統認知：靈長類大腦連接并非随腦容量增大而簡單擴容，而是呈現“精簡高效”模式。神經元連接更精準、更具選擇性，形成模塊化信息處理單元，如同将普通公路網升級為高速公路系統，通過優化路線設計提升信息傳遞效率。這種組織原則，正是靈長類複雜認知能力的核心支撐。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
跨物種視角：大腦演化的“保守與創新”平衡
通過對比烏龜、鳥類、小鼠、猕猴等物種的端腦和小腦細胞圖譜，團隊揭示了大腦演化的核心規律：并非簡單“擴大”，而是在保守與創新間尋求平衡。保守層面，運動控制回路、基礎感覺處理機制等在脊椎動物中高度一緻，構成大腦功能基礎框架;創新層面，不同物種發展出特色結構——鳥類的特化腦區支撐飛行與鳴唱，哺乳動物的新皮層強化學習記憶，靈長類則演化出更複雜的認知系統。
值得注意的是，靈長類大腦軸突末梢覆蓋精度顯著高于小鼠，能更精準選擇連接目标，形成特異信息處理通路，這正是複雜認知功能的結構基礎。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
疾病研究新突破：為腦疾病治療開辟新路徑
腦圖譜研究不僅推動基礎科學進步，更為疾病治療提供全新視角。針對阿爾茨海默病，團隊首次繪制患者海馬區空間轉錄組圖譜——海馬是記憶形成關鍵腦區，也是該病最早受損區域。對比發現，海馬傘區域富集大量異常小膠質細胞和星形膠質細胞：這些原本負責清除代謝廢物的“清潔工”，在疾病狀态下“失控”，通過過度炎症反應加重神經損傷，為開發靶向治療藥物提供新靶點。
針對腦出血，團隊繪制小鼠腦出血後從超急性期到恢複期的時空動态分子圖譜，揭示修複過程的“救援機制”：出血早期，免疫細胞組成“急救隊”控制損傷;随後小膠質細胞作為“清潔小組”清除壞死組織;最後星形膠質細胞等“修複工程隊”參與組織修複。這一發現為優化腦出血治療方案提供了精準依據。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
技術創新+國際合作：破解腦科學的“中國方案”
此次成果的取得，離不開技術體系的全面創新。除VISoR、LV-fMOST等成像技術外，ARCHmap技術實現全身透明化，可觀察神經纖維從大腦到全身的連接;AI輔助分析系統則攻克TB級數據處理難題，實現神經元自動識别、分類與連接追蹤。這些技術形成完整體系，覆蓋樣本制備、成像、數據分析全流程。
腦科學研究離不開國際協作，此次突破便是跨國合作的典範：300餘名科學家參與，合作機構涵蓋中國科學院各研究所、國内頂尖大學及法、瑞、英等國科研機構。這也是“全腦介觀神經聯接圖譜”國際大科學計劃的預演，中國正推動建立“國際靈長類介觀腦圖譜聯盟”，整合全球資源推進研究。
圖片來源：中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心
未來展望：從基礎研究到應用轉化的無限可能
盡管進展顯著，繪制完整人腦圖譜仍面臨三重挑戰：技術上需開發更快、更高分辨率的成像技術，應對人腦十倍于猕猴大腦的複雜度;數據上需解決EB級數據的存儲、傳輸與分析難題;理論上需建立結構與功能的關聯框架，從神經連接推斷認知行為。
但挑戰背後是巨大機遇：量子計算可為數據處理提供新路徑，光片顯微鏡等新技術持續疊代，AI技術加速數據解析，國際合作機制不斷完善。應用前景更令人期待：醫學領域，腦圖譜可助力腦部手術精準導航、靶向藥物開發;人工智能領域，大腦的高效工作原理可為算法優化提供靈感，推動通用AI發展。
從探索宇宙到解析大腦，人類對未知的探尋從未停歇。中國科學家此次發布的腦圖譜成果，不僅是科學領域的裡程碑，更開啟了人類認識自我的新紀元。當大腦的奧秘被徹底解開，我們不僅能征服神經退行性疾病，更可能回答“意識是什麼”“何為人類”等終極哲學命題——這既是科學的終極目标，更是人類文明的升華之路。
來源：中國科普博覽 中國科學院科普雲平台
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