脑是人类和其他高等动物最重要、最复杂的器官。诸多脑的奥秘有待探索，认识脑、保护脑、创造脑对人类有着重大意义。目前，脑研究已成为全球最具有战略意义的科研主题。本文总结了全球脑研究计划的部署，展望了未来脑科学研究存在的挑战和发展方向。

目前，脑研究已被许多国家视为科技战略的重中之重

2013年，欧盟和美国分别启动脑研究计划。欧盟的“人脑计划”（Human Brain Project, HBP），旨在解读超过上兆个脑神经细胞的联结，以研究人类情感、意识与思维。而这些复杂的运算，将通过超级计算机多段多层的模拟来实现。美国的“推进创新神经技术脑研究计划”（Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN）拟研发新型脑研究技术，以更高的时空分辨率建立脑活动图谱。未来十年，这两大脑研究计划预计投入分别超过10亿欧元和30亿美元。在我国，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020）》中已将“脑科学与认知”列入基础研究科学前沿问题；2011年以来，国家自然科学基金委员会、国家科技部、中国科学院分别启动了一系列脑研究的重大计划。

这些重大的脑研究计划极大地促进了脑研究的进展

美国已在介观层次鼠脑连接组方面实现了不同脑区结构连接的定量分析；德国和加拿大则在数字人脑的精细结构获取方面拔得头筹；日本先后发展了全脑透明的Scale和CUBIC技术并用于获取全脑精细结构……我国脑研究同样勇立世界科研潮头。目前，我国已在分子及细胞神经科学、发育神经科学、脑认知科学、脑疾病机制、计算神经科学等方面取得长足进步；在动物模型、光遗传、光学成像、人工智能、脑网络连接组等新技术和新方法方面有重要进展（详见《生命科学》2014年第6期脑科学研究专刊）。值得一提的是，我国骆清铭教授课题组发明了一系列MOST/fMOST技术；成功获取了荧光标记、Golgi染色、Nissl染色和印度墨水染色的小鼠全脑数据集，三维分辨率达到1μm；开发了适应于海量数据集的自动分析技术，展示了对小鼠全脑进行高分辨率成像和可视化的能力。未来几年，有望完成小鼠全脑真实尺度神经-血管精细结构3D脑图谱。

用MOST系列技术获得的小鼠全脑及神经元形态、神经环路、细胞构筑和血管结构的可视化结果

“认识你自己”，脑研究的发展任重道远、充满挑战

纵观世界，目前仅实现了小鼠全脑真实尺度的精细结构成像；与单个细胞水平可视化完整人脑的梦想还非常遥远。已经知道，以单神经元分辨率采集一个单色标记小鼠脑的数据量都是TB级，单层冠状面图片的数据量是几百兆甚至数GB。如果进行多色成像或对灵长类动物全脑成像，其数据量更是成倍增长。

推进脑研究前进的第一个挑战是：大样本、高分辨率、高通量光学成像。对于灵长类全脑（包含人脑）如何保持光学分辨率并实现高通量成像，这里面有许多技术问题亟待研究；同时，还有必要实现规范而工业化的流程产生图像数据。

第二个挑战是：特定神经通路和特定样本的优化标记。对某一通路的稀疏标记、对不同成分的多色标记、对灵长类大脑的特异性标记，都是有待深化和改进的方向。

第三个挑战就是：大数据的可视化和信息化。按照预期的工程化速度产生大数据，对于目前现有的数据存储、图像处理与分析、数据管理和共享等方式已带来了全方位的挑战。

同时，由于神经元类型和形态的高度复杂性，面对已获取的大数据图像，不可能采用过去手工分割图像的做法，必须发展新的方法，以实现自动地对多层次、多类型、多形态、高密度的神经结构和功能图像的数字化处理，在此基础上实现单神经元分辨的全脑可视化和定量分析的目标。

最后，如何对获取的脑数据加以整合和模拟，实现脑功能的认知，发展人工智能，研究人类智力，也是从理解脑到发展脑的飞跃将是更进一步的挑战。

挑战与机遇并存

目前，正是脑研究发展的黄金时期。不难预见，脑研究将凝聚物理、生物、化学、数学、信息和认知等多学科力量，催生一系列相关新原理、新方法和新技术，必将成为新兴产业的重要引擎。当前，我国政府已加大资金投入，强化统筹规划；研究团队正在团结协作、勇攀高峰。脑科学是我国的优势学科之一，我国脑研究有望在若干领域取得重大突破，为全人类更好的“认识脑、保护脑、创造脑”做出重要贡献。

本文由刘四旦节选自《新生物学年鉴2014》一书中《基于直接测量的哺乳动物全脑神经——血管网络精细结构及三维可视化》一文，作者：龚辉、李向宁、袁菁、吕晓华、李安安、陈尚宾、杨孝全、曾绍群、骆清铭。本文从研究脑的需求出发，简要阐明基于直接测量以神经元和毛细血管的真实尺度大小，实现哺乳动物全脑三维可视化的必要性和可行性。围绕标记、数据获取及可视化全脑神经-血管精细结构的目标，对相关标记技术和组织样本处理、光学成像、三维可视化等技术进行了综述和分析。结合作者课题组的工作，介绍了基于显微光学切片断层成像新技术获取小鼠全脑神经-血管精细结构的进展。最后，总结了全球脑研究计划的部署，展望了未来脑科学研究存在的挑战和发展方向。

《新生物学年鉴2014》为一本由《新生物学丛书》6位编委组稿并把关、各地大学及研究所骨干研究人员撰写的文集，包括植物功能性状研究、植物蛋白激酶在生态学领域的应用、免疫生物学研究、神经科学研究，以及哺乳动物全脑神经测量等内容，共6篇文章。这些文章的内容均为撰写者的最新研究成果，因此年鉴可以在一定程度上体现出我国生物学领域的发展现状。

《新生物学年鉴2014》文章目录

1. 刘晓娟、马克平，植物功能性状研究进展

2. 薛红卫、谭树堂、晏萌，植物中的蛋白磷酸化

3. 邓子木、许可、刘小龙，抗原受体V(D)J基因重排

4. 黄海艳、汤其群，脂肪细胞的发育分化与代谢

5. 尚春峰、穆宇、杜久林，以透明脑，观澄明心：斑马鱼神经功能研究进展    

6. 龚辉、李向宁、袁菁、吕晓华、李安安、陈尚宾、杨孝全、曾绍群、骆清铭，基于直接测量的哺乳动物全脑神经——血管网络精细结构及三维可视化

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