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“全脑单神经元多样性研究及信息学大数据平台”入选2021年度“中国生命科学十大进展”

更新时间:2022-01-14 15:00:18点击:

近日,2021年度“中国生命科学十大进展”揭晓。东南大学脑科学与智能技术研究院彭汉川教授、生物科学与医学工程学院顾忠泽教授和生命科学与技术学院谢维教授团队等多共同研究的“全脑单神经元多样性研究及信息学大数据平台”入选。

单神经元精度全脑图谱,对理解大脑至关重要。高通量地重建全脑神经元是脑科学领域的重要研究方向。东南大学彭汉川、顾忠泽、谢维团队建立了世界上首个完整的全脑单神经元分辨率大数据和信息学平台并应用于全鼠脑研究(图1),针对神经元的全脑三维影像数据进行高通量神经元重建,全脑映射以及智能数据挖掘,并基于此平台生产了目前世界上数目最大的单细胞神经元形态数据集,首次揭示了长程投射规则和分子水平基础上的神经元形态亚类多样性(Nature, 2021)。

图1 全脑范围完整神经元形态成像、重建、配准、分析平台和流程

研究团队在将脑内神经元选择性稀疏标记后通过fMOST成像系统获得全脑图像,运用自主研发的开源、跨平台的三维可视化、重建和分析系统——Vaa3D系统(图1)以及大数据智能管理平台MorphoHub(unpublished)建立标准化图像数据处理和重建工作流程,同时建立严格的质量控制过程,以确保重建形态的完整性; Vaa3D 系统融合了团队开发的一系列自动重建算法,整合了可“沉浸式”观察、重建神经元的TeraVR(Nature Communication, 2019)以及其他不断迭代的重建工具箱;大数据智能管理平台MorphoHub实现了多维大数据的有序安全存储以及多人同时协作、多层级数据的本地和远端的调用。平台开发了跨模态配准管线-mBrainAligner算法(Nature Methods, 2021),将数据集配准到Allen公共坐标框架图谱 (CCFv3)中(图2);团队首创了多种新型的神经元分析方法,如单细胞结构的子结构域自动解析以及细胞群体和单细胞相关性分析等,在一系列生物学新发现中发挥了重要作用。  研究团队建立了全脑范围完整全脑神经元形态重建、配准、分析平台和流程,实现了首个软硬件结合的PB级超大规模脑大数据平台和首个完整的单细胞形态数据生产流水线,证明了完整单细胞解剖学分析对神经细胞类型鉴定至关重要,对研究大脑细胞分型和功能、脑连接环路、全脑大规模模拟、类脑计算、基于生物脑的新型人工智能算法和系统等会持续产生重要作用。在这些工作中,东南大学团队和多个合作方进行了紧密合作,如和腾讯公司天衍实验室在数据质控以基于云计算的脑数据映射等课题中取得了重要进展,项目也促进了和腾讯公司人工智能实验室在大数据共享平台等领域的合作。


图2 mBrainAligner用于跨模态图像配准、大脑轮廓绘制、全脑完整形态神经元重建数据映射、fMOST鼠脑图谱建立的总体流程

据悉,中国科协生命科学学会联合体自2015年开展“中国生命科学十大进展”评选,目前评选活动已连续开展7年。评选旨在推动生命科学研究和技术创新,充分展示和宣传我国生命科学领域的重大科技成果。每年公布评选结果后,邀请入选项目专家编写和出版科普书籍,并举办交流会暨面向青少年的科普报告会,向公众揭示生命科学的新奥秘,为生命科学新技术的开发、医学新突破和生物经济的发展提供新的思路,极大提高了生命科学和相关技术的社会影响力。(来源:东南大学)


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