在人类探索自然的征程中，始终存在两大终极命题：向外探寻宇宙运行规律，向内破解意识产生之谜。如果说天文望远镜延伸了人类的宇宙视野，那么高精度脑科学图谱的诞生，则为照亮人类认知的“内在宇宙”提供了关键工具。2025年7月，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心联合国内外30余家科研机构，集中发布十项脑图谱研究重大成果，标志着我国在脑科学领域实现关键性突破，为人类理解大脑迈出坚实一步。
大脑：人类科学的“终极挑战”与突破方向
大脑是自然界最精妙的“造物”——仅1.4公斤的器官中，蕴藏着约860亿个神经元，每个神经元可形成上千个连接，构成上万亿条信息传递通路。就在阅读这句话的瞬间，数百亿个神经元同步协作，完成视觉信号处理、文字理解、记忆调用等复杂任务。长期以来，科学家们梦寐以求绘制一份完整的“大脑地图”：标注神经元位置、描绘连接网络、解析功能机制，这一梦想自现代神经科学之父拉蒙·卡哈尔提出“神经元学说”以来，已延续百年。
破解大脑的核心难点在于其“动态复杂性”：不仅要厘清海量神经元的静态连接，还要捕捉神经网络的动态变化——连接会随经验强弱调整、新旧更替。此次中国科学家的突破，精准聚焦“介观尺度”这一关键领域，为破解难题提供了全新思路。
介观尺度成像：看清大脑的“街道与街区”
脑科学研究存在三个关键尺度：微观尺度聚焦神经元“一砖一瓦”，宏观尺度实现全脑“卫星俯瞰”，而介观尺度则如同“漫步街道”——既能看清神经元细节，又能理解网络连接布局，正是解析大脑功能的核心尺度。因为大脑功能并非依赖单个神经元，而是源于神经元网络的活动模式，如同交响乐的魅力在于旋律与和声的协同。
中国科学家研发的系列新技术，让介观尺度观察成为现实。其中超高速VISoR技术创下惊人效率：40小时内即可完成成年小鼠全身三维成像，分辨率达微米级别，既能清晰呈现单个神经元形态，又能追踪轴突、树突的延伸分支与连接轨迹。更值得关注的是，团队将技术升级应用于猕猴大脑——作为与人类亲缘关系最近的实验动物，猕猴大脑结构与人脑高度相似，体积却比小鼠大脑大数百倍，全脑成像难度呈指数级提升。研发的LV-fMOST技术首次实现猕猴全脑亚微米级三维成像，堪称技术革命。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
空间转录组：给神经元贴“功能身份证”
看清神经元的形态与连接只是第一步，明确其“身份信息”——类型、基因表达、功能分工，是解析大脑的关键。传统基因测序需分解组织，虽能获取基因信息却丢失空间位置;而空间转录组技术可在保持组织完整的前提下，检测不同位置的基因表达，为每个细胞贴上“功能身份证”。
华大生命科学研究院开发的Stereo-seq技术实现重大突破，以接近单细胞的分辨率检测组织切片基因表达，生成超高清“分子地图”。借助该技术，研究团队有了诸多新发现：GABA能神经元在从乌龟到人类的多个物种中，均扮演大脑活动“刹车系统”的抑制性调节角色;鸟类小脑中的特殊浦肯野细胞亚型，可能与其高超飞行能力相关;灵长类大脑的中间神经元类型更丰富，为复杂认知功能提供支撑。
意识之谜新线索：屏状核的“连接枢纽”作用
深藏大脑内部的“屏状核”，长期被推测为意识产生的关键部位，DNA双螺旋结构发现者之一弗朗西斯·克里克晚年便专注于此。此次研究为解析屏状核功能提供了重磅线索：通过精密神经追踪技术，团队发现猕猴屏状核具有极其广泛的连接——几乎与大脑皮层所有区域相通，是名副其实的“信息整合枢纽”。
更关键的是，屏状核并非均一结构，而是分为四个亚区，每个亚区有特定连接模式与细胞类型：前部亚区连接感觉皮层，后部亚区关联高级认知区域。这种精细结构使其能够整合全脑信息，形成统一意识体验。研究还发现，灵长类屏状核更发达，存在特有细胞类型，这或许是人类拥有丰富意识与自我认知的重要原因。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
灵长类大脑的智慧设计：精简高效的连接艺术
前额叶皮层作为大脑“CEO”，负责决策、规划等高级认知功能，人类前额叶皮层占大脑皮层近30%。研究团队利用自主开发的Gapr神经元追踪系统，重构2231个猕猴前额叶皮层投射神经元的完整形态——每个神经元重构需追踪轴突分支延伸轨迹，部分轴突可延伸至数厘米外脑区，工作量极为庞大。
分析结果颠覆传统认知：灵长类大脑连接并非随脑容量增大而简单扩容，而是呈现“精简高效”模式。神经元连接更精准、更具选择性，形成模块化信息处理单元，如同将普通公路网升级为高速公路系统，通过优化路线设计提升信息传递效率。这种组织原则，正是灵长类复杂认知能力的核心支撑。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
跨物种视角：大脑演化的“保守与创新”平衡
通过对比乌龟、鸟类、小鼠、猕猴等物种的端脑和小脑细胞图谱，团队揭示了大脑演化的核心规律：并非简单“扩大”，而是在保守与创新间寻求平衡。保守层面，运动控制回路、基础感觉处理机制等在脊椎动物中高度一致，构成大脑功能基础框架;创新层面，不同物种发展出特色结构——鸟类的特化脑区支撑飞行与鸣唱，哺乳动物的新皮层强化学习记忆，灵长类则演化出更复杂的认知系统。
值得注意的是，灵长类大脑轴突末梢覆盖精度显著高于小鼠，能更精准选择连接目标，形成特异信息处理通路，这正是复杂认知功能的结构基础。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
疾病研究新突破：为脑疾病治疗开辟新路径
脑图谱研究不仅推动基础科学进步，更为疾病治疗提供全新视角。针对阿尔茨海默病，团队首次绘制患者海马区空间转录组图谱——海马是记忆形成关键脑区，也是该病最早受损区域。对比发现，海马伞区域富集大量异常小胶质细胞和星形胶质细胞：这些原本负责清除代谢废物的“清洁工”，在疾病状态下“失控”，通过过度炎症反应加重神经损伤，为开发靶向治疗药物提供新靶点。
针对脑出血，团队绘制小鼠脑出血后从超急性期到恢复期的时空动态分子图谱，揭示修复过程的“救援机制”：出血早期，免疫细胞组成“急救队”控制损伤;随后小胶质细胞作为“清洁小组”清除坏死组织;最后星形胶质细胞等“修复工程队”参与组织修复。这一发现为优化脑出血治疗方案提供了精准依据。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
技术创新+国际合作：破解脑科学的“中国方案”
此次成果的取得，离不开技术体系的全面创新。除VISoR、LV-fMOST等成像技术外，ARCHmap技术实现全身透明化，可观察神经纤维从大脑到全身的连接;AI辅助分析系统则攻克TB级数据处理难题，实现神经元自动识别、分类与连接追踪。这些技术形成完整体系，覆盖样本制备、成像、数据分析全流程。
脑科学研究离不开国际协作，此次突破便是跨国合作的典范：300余名科学家参与，合作机构涵盖中国科学院各研究所、国内顶尖大学及法、瑞、英等国科研机构。这也是“全脑介观神经联接图谱”国际大科学计划的预演，中国正推动建立“国际灵长类介观脑图谱联盟”，整合全球资源推进研究。
图片来源：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心
未来展望：从基础研究到应用转化的无限可能
尽管进展显著，绘制完整人脑图谱仍面临三重挑战：技术上需开发更快、更高分辨率的成像技术，应对人脑十倍于猕猴大脑的复杂度;数据上需解决EB级数据的存储、传输与分析难题;理论上需建立结构与功能的关联框架，从神经连接推断认知行为。
但挑战背后是巨大机遇：量子计算可为数据处理提供新路径，光片显微镜等新技术持续迭代，AI技术加速数据解析，国际合作机制不断完善。应用前景更令人期待：医学领域，脑图谱可助力脑部手术精准导航、靶向药物开发;人工智能领域，大脑的高效工作原理可为算法优化提供灵感，推动通用AI发展。
从探索宇宙到解析大脑，人类对未知的探寻从未停歇。中国科学家此次发布的脑图谱成果，不仅是科学领域的里程碑，更开启了人类认识自我的新纪元。当大脑的奥秘被彻底解开，我们不仅能征服神经退行性疾病，更可能回答“意识是什么”“何为人类”等终极哲学命题——这既是科学的终极目标，更是人类文明的升华之路。
来源：中国科普博览 中国科学院科普云平台
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