神经调质系统介观脑功能联接图谱


  江北新区脑科学与类脑研究产业技术创新计划也汇集了国内外优质脑科学资源,明确提出要“启动江北新区脑科学与类脑研究产业技术创新计划,引进和培育一批脑科学与类脑研究领域的新型研发机构、顶尖人才团队和创新型企业”。紧密结合脑科学发展的需求,本公司立足江北新区,建立了拥有世界领先技术和设备的“南京脑观象台”,致力于成为服务脑科学研究和类脑研究的不可或缺的公共服务平台。

  本公司多平台力推的神经调质系统介观脑功能联接图谱项目,已于2020年12月启动。本项目基于拥有自主知识产权的世界领先、革命性的新型光学脑成像装置,超高时空分辨率微型双光子在体成像系统(FHIRM-TPM)和超高速三维扫描荧光成像系统(VISOR)基础上,围绕全球脑科学计划的重大需求,倾力打造“自由行为动物成像”的核心能力,重点在介观层面解析全脑各类神经元的联接结构和电活动规律,解析各种行为的神经编码,建立大脑功能联接图谱。组建的数据分析团队能对数量庞大的脑功能图像和三维投射图像进行分析,从而全面理解大脑功能到行为的工作机制,构建从突触、神经元集群、到神经环路、再到全脑水平的全景式功能体系,为生物医药领域企业和科研院所提供的脑科学研究服务。

 

 

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  神经元是大脑信息处理的基本单元,一直是神经科学研究的重点,神经元具有两个主要特点:电活动和传递信息的神经元投射。但目前国内外脑科学领域内将神经元功能和神经元联接结合起来的研究还有所欠缺,急需建立新技术新方法构建大脑“神经元功能联接图谱”,即同步研究神经元功能和神经元联接的新研究范式,这将大大改进当前把神经元功能和联接分开进行研究的弊端和低效局面,有力促进脑科学研究的进展。

  神经调质系统包括五羟色胺、乙酰胆碱、去甲肾上腺素和多巴胺等神经递质系统,密切参与大脑各种功能,也和多种脑疾病发病机理密切相关,解码神经调质系统的“神经元功能联接图谱”是脑科学研究中的重要组成部分。

  高通量地对模式动物行为学进行测试将大大加速神经科学研究,也是构建“神经元功能联接图谱”新研究范式的重要内容。但是,当前对模式动物的行为学训练和测试是范式类型的,即每批动物只能进行一类或一个行为学测试。设计高通量的、基于家居的行为学箱从而对多种行为进行测试将使“神经元功能联接图谱”的构建和神经科学研究的效率成倍增长。

  随着显微镜的普及,实验数据是名副其实的海量数据,研究者的经验和直觉的积累速度已经远不能满足知识发现和规律发现的要求,从存储到处理分析,全都是挑战。针对这些问题,本项目计划开发一套LeapBrain系统,该系统具有安全的数据存取管理机制,比较完备的任务调度、数据分析和数据可视化等系列功能,系统内置功能全面的数据处理分析工具箱,能够实现动物行为检测、荧光数据预处理、神经元识别、钙信号动力学分析、神经元网络分析等功能,这些工具箱集成自主研发与经典的算法,且具有灵活的功能扩展接口。系统还能提供一系列可定制的研究范式以及即时交互的可视化工具,协助神经科学家从海量实验数据中理解复杂的神经元活动。数据工厂为验证神经科学家的猜想和假说,发现潜在规律,提供数据处理、分析、可视化及存取的一站式解决方案。

  我们计划通过跨学科的规模化研究,同时研究数十种行为中不同神经调质系统的“神经元功能联接图谱”,解码多种行为的神经调质编码机制。这一全新的研究范式也将改变传统神经科学研究的手工作坊模式,形成跨学科的规模化研究范式,更有效的解码和认识大脑,为脑疾病和以人工智能为导向的类脑研究提供支撑。