近日，東南大學腦科學與智慧技術研究院在單細胞精度全腦映射領域取得重要進展，相關成果以“Cross-modal coherent registration of whole mouse brains”為題，線上發表於國際方法學頂級期刊Nature Methods。該研究由東南大學腦科學與智慧技術研究院牽頭，聯合美國艾倫腦科學研究所、安徽大學、華中科技大學、海南大學、西奈山伊坎醫學院、中國科學技術大學、深圳先進技術研究院、上海大學、騰訊天衍實驗室、美國加州大學洛杉磯分校等多個國內外團隊完成。該文章是東南大學腦科學與智慧技術研究院10月份Nature文章相關的重要方法學文章之一，東南大學為文章通訊組織和主要完成單位。
圖1 mBrainAligner用於跨模態影像配准、大腦輪廓繪製、全腦完整形態神經元重建數據映射、fMOST鼠腦圖譜建立的總體流程
圖2 CCF配准後丘腦神經元投射的拓撲分析
全腦神經元映射和解析是腦科學研究的重要方向。隨著近年來多個大型國際全腦映射項目的開展，採用不同高維度、高通量成像科技（如STPT、fMOST、LSFM、VISoR、MRI）產生的全腦成像數據正以前所未有的速度新增。將這些不同模態、不同尺度的高維腦影像及其各層次大規模神經元重建數據配准到一個公共座標空間，對於神經細胞類型鑒定、腦空間定位圖譜以及神經聯接圖譜構建等研究至關重要。然而不同標記方法、樣本製備和成像管道導致數據在亮度、紋理和解剖結構上差异巨大，高精度跨模態腦配准仍然是當前的一個挑戰。
針對上述問題，課題團隊提出了基於相干標記點映射（Coherent Landmark Mapping，CLM）和深度神經網路（Deep Neural Networks，DNNs）的影像配准框架，並構建了跨模態影像配准管線——mBrainAligner（圖1），以系統化應對模式生物跨模態腦配准挑戰。作為東南大學腦科學與智慧技術研究院全腦神經元重建以及分析平臺的關鍵模塊之一，基於mBrainAligner，團隊構建了首個fMOST模態鼠腦圖譜，將CCFv3的應用從神經元群體水准拓展到單細胞水准；首次在單細胞分辯率下完成了神經元投射的拓撲分析（圖2）；通過在全腦神經元重建以及分析平臺內綜合mBrainAligner模塊和團隊前期提出的高通量神經元的重建模塊Vaa3D-TeraVR（Nature Communication，2019）以及神經元分析模塊mBrainAnalyzer（Nature，2021），團隊完成了31個高解析度fMOST腦影像及1741個小鼠全腦神經元形態重建數據到CCFv3圖譜的映射，為大規模全腦單細胞神經元形態分析和類型鑒定提供了重要支撐（相關研究結果於10月6日在Nature文章發表）。騰訊公司研究人員與東南大學團隊緊密合作研發了線上多模態數據配准平臺，已提供給世界範圍內研究人員使用，有力支撐了本項目進展。
mBrainAligner將東南大學腦科學與智慧技術研究院相關研究人員在全腦神經元重建以及分析平臺的應用從線蟲（Cell，2009；Nature Methods，2009）和果蠅（Nature Methods，2011）進一步推進到小鼠等多模態數據，並將持續為“中國腦計畫”中多類模式生物腦圖譜構建及相關神經生物學研究提供支撐。
東南大學腦科學與智慧技術研究院彭漢川教授為文章的通訊作者，東南大學兼職教授屈磊和安徽大學2019級博士研究生李園園為文章的共同第一作者，腦智院謝芃、劉力娟為文章的主要作者。