腦微觀重建與智能分析助力線粒體解碼神經(jīng)元活動(dòng)研究
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自動(dòng)化所韓華研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)其自主研發(fā)的電鏡三維成像和快速重建技術(shù)，首次展現(xiàn)小鼠運(yùn)動(dòng)皮層錐體神經(jīng)元胞體和樹(shù)突中數(shù)百個(gè)線粒體的三維形態(tài)，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元樹(shù)突中線粒體依靠較細(xì)的“線粒體納米管道”連接在一起（管道直徑30-50納米）的現(xiàn)象，有力支撐線粒體解碼神經(jīng)元活動(dòng)的研究。
相關(guān)成果“Brain Activity Regulates Loose Coupling between Mitochondrial and Cytosolic Ca2+ Transients”2019年11月21日在線發(fā)表于《Nature Communications》，由北京大學(xué)分子醫(yī)學(xué)研究所程和平院士團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜。該研究首次報(bào)道了腦神經(jīng)元線粒體與胞質(zhì)之間鈣瞬變的概率性耦合以及其耦合度如何受大腦信息加工活動(dòng)的調(diào)節(jié),該成果揭示了腦內(nèi)重要的細(xì)胞能量工廠-線粒體，是如何解碼神經(jīng)元活動(dòng)模態(tài)，從而精準(zhǔn)調(diào)控腦動(dòng)態(tài)能量代謝的新現(xiàn)象和新機(jī)制。
作為該項(xiàng)研究的重要合作者，團(tuán)隊(duì)首先制備和成像重染細(xì)胞膜的小鼠運(yùn)動(dòng)皮層樣品，獲取皮層L1和L2/3區(qū)域的電鏡三維數(shù)據(jù)（分辨率5nm*5nm*50nm、范圍40.9um*40.9um*35.4um和81.9um*81.9um*19.2um）；其次，針對(duì)上述數(shù)據(jù)建立了一套高準(zhǔn)確率的線粒體自動(dòng)識(shí)別與快速重建方案，提取了大多數(shù)線粒體的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)；最后，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，與神經(jīng)元樹(shù)突線粒體相比，胞體中線粒體的平均長(zhǎng)度、平均體積和體積占比更少，表明線粒體在細(xì)胞內(nèi)不同部位的分布與細(xì)胞局部的功能密切相關(guān)，具體結(jié)果見(jiàn)論文圖1。
團(tuán)隊(duì)成員李琳琳博士（第2作者）、肖馳博士（第6作者）作為主要人員完成了上述研究，陳曦副研究員、李國(guó)慶副研究員、沈麗君博士、謝啟偉教授、張麗娜工程師、馬宏圖工程師等在過(guò)程中給予了幫助和支持。
韓華研究員帶領(lǐng)的腦微觀重建與智能分析團(tuán)隊(duì)一直致力于解決微觀神經(jīng)大數(shù)據(jù)重建效率低下的難題，為腦科學(xué)和類腦智能研究提供突觸水平神經(jīng)結(jié)構(gòu)重建所需的技術(shù)服務(wù)、解決方案和共享平臺(tái)。團(tuán)隊(duì)從突觸連接水平上解析腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和模型，從樣品制備、自動(dòng)切片、顯微成像、圖像合成及三維重建等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，提升數(shù)據(jù)獲取和標(biāo)注分析效率，將成像系統(tǒng)與上游的樣品制備系統(tǒng)和下游的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)集成，成功研發(fā)突觸水平神經(jīng)大數(shù)據(jù)重建平臺(tái)和生物高通量電鏡三維影像系統(tǒng)，先后通過(guò)北京市和中科院的技術(shù)驗(yàn)收，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一站式、大體量、高通量的微觀腦圖譜解決方案。同時(shí)，該方案在北京懷柔綜合性國(guó)家科學(xué)中心腦認(rèn)知功能圖譜與類腦智能交叉研究平臺(tái)中起到了重要支撐作用。
突觸水平神經(jīng)大數(shù)據(jù)重建與分析平臺(tái)
論文：Yuan Lin, Lin-Lin Li, Wei Nie, Xiaolei Liu, Avital Adler, Chi Xiao, Fujian Lu, Liping Wang, Hua Han, Xianhua Wang, Wen-Biao Gan , Heping Cheng .Brain activity regulates loose coupling between mitochondrial and cytosolic Ca2+ transients. Nature Communications 2019
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-13142-0
注：本文轉(zhuǎn)載自中國(guó)科學(xué)院。
