新图谱——探索灵长类智慧的奥秘

前额叶是大脑里的“控制中心”，它掌管着我们日常生活中的高级认知功能，比如记忆、注意、决策和行为控制。科学家一直在寻找问题的答案：这些复杂的认知功能，是如何通过大脑神经元之间的精密连接来实现的？

在众多研究对象中，猕猴被认为是接近人类的理想动物模型。脑智卓越中心研究人员选用了成年猕猴作为研究对象，在猕猴大脑的前额叶中，选取了19个不同区域，将带有荧光标记的病毒注射到目标区域，让神经元发光，便于之后进行成像。这种方法能让科学家追踪每一根神经纤维的走向，就像给高速公路的每一条路线都装上了导航灯。

然而，用高分辨率的成像技术产生的猕猴全脑成像数据体量巨大，单个猕猴脑数据甚至已经接近PB（1000TB）量级，相当于10万部高清电影。如何在如此巨大的数据中准确、高效地重构出大量单神经元投射谱，是一个巨大挑战。研究人员开发了名为Gapr的大规模单神经元重构系统，结合AI全自动重构和多人同时参与的协同校对，大幅提升神经元重构的效率。最终，研究人员完成了2231个猕猴前额叶神经元的完整投射图谱。

根据这些神经元的投射路径，研究人员将它们划分为32种类型。每种类型的神经元，像是不同专业的“信息快递员”，会把信号发送到大脑中的不同“目的地”，分别负责运动控制、感觉处理、情绪调节和记忆形成等多种功能。进一步分析发现，前额叶神经元之间并非随意连接，而是组成了清晰的模块化网络，如精心构造的“电路板”。前额叶不同区域的神经元，其“起点”（胞体位置）与“终点”（投射靶区）之间存在一一对应关系，而同一区域里又包含了投往不同“终点”的神经元，由此形成一个复杂的线路图。

最后，通过与小鼠前额叶单神经元投射谱进行比较，研究人员有了惊人的发现：具有更复杂功能的猕猴前额叶，在单个神经元的结构上却显得更为简单。与小鼠相比，猕猴神经元的轴突虽然主干更长，但分支更少，神经末梢也相对更小。尤其是在猕猴前额叶的一些下游脑区，研究人员发现了灵长类动物特有的“斑块状”的神经末梢聚集区。这些都明确表明，灵长类神经元具有更加专一、精细的调控功能。这种更简洁但精准的连接方式，可能与灵长类动物能发展出更为复杂的认知功能密切相关。这也是科学家首次在单个神经元水平上，发现灵长类特有的神经连接特征。

这项研究首次以单神经元分辨率，全面描绘了猕猴前额叶皮层与全脑之间的连接图谱，让我们得以看清大脑中信息传输的“精密线路图”。

同时，也能够为脑疾病研究带来重要启发。像精神分裂症、抑郁症、帕金森病等，常常涉及前额叶与其他脑区的异常连接。这些研究能够启示我们将疾病对应到特定的神经元投射通路，帮助发现脑疾病的具体机制，并为开发更精确的干预手段提供了结构基础。在医学应用方面，这份“大脑地图”也为识别疾病中的神经通路提供了新的思路。这些发现有望推动精准医学的发展，从而实现更加有效的诊断与干预。

此外，我们对猕猴前额叶单神经元连接图谱的研究，还能够为人工智能的设计带来灵感，或许能让人工智能对信息的处理更像“人脑”在思考，有望推动更加高效、更具认知能力的AI系统的实现。

（作者分别系中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心研究员；博士研究生）