全球首次：我国科学家实现单神经元三模态完整解析

IT之家 6 月 19 日消息，据央视报道，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王凯研究团队与徐圣进研究团队联合在国际顶级学术期刊《细胞》上发表了一项重磅研究成果。研究团队自主研发出基于成像的多模态解析平台“IMC”（Imaging-based Multimodal Characterization），在全球范围内首次实现了对同一神经元的功能活动、三维结构和分子基因表达三类信息的高精度同步解析。大脑由约 860 亿个神经元构成，这些神经元在功能反应、形态结构以及基因表达上存在着巨大差异。要真正理解大脑的工作机制，必须搞清楚每一个神经元的三个核心维度：一是功能，即细胞如何响应外界刺激、处理信息；二是结构，即细胞的具体形态以及它如何与其他神经细胞建立连接；三是分子，即细胞内部的基因表达和蛋白质组成。然而，长期以来，全球神经科学界面临一个根本性的技术瓶颈 —— 神经元的分子、结构和功能这三类数据只能在不同实验体系下分开检测。不同检测设备与实验流程互不兼容，导致功能、结构、基因数据各自独立，形成了一座座无法打通的“数据孤岛”。尽管各国脑科学计划已积累了海量的单模态数据，但由于缺乏来自同一个神经元的对应关系，这些数据无法进行有效的对比分析与联合解析。此前，国际上虽有研究报道了能够实现两类信息合并检测的技术，但三类信息的同步解析始终未能突破。为攻克这一世界级难题，王凯与徐圣进两个研究团队从底层技术开始重新设计，联合攻关。他们打造的 IMC 多模态解析平台打通了从活体观测到基因检测的完整实验链路。该平台依托两项自主研发的核心技术：一是高分辨率多平面并行化双光子显微镜，无需切割脑组织即可完整复原神经元在全脑范围内的神经纤维网络；二是双色膨胀荧光原位杂交技术，能够精准定位细胞内的基因分子，单次可同时检测 6 种基因。整套实验流程分为三步：首先在清醒小鼠的大脑中实时记录神经元对视觉画面及面部动作的实时反应；随后完整复原同一个细胞遍布全脑的神经纤维网络；最后精准捕捉细胞内部全部基因的分布与含量。三步操作全程保留细胞的空间位置信息，确保不同模态的数据能够精准匹配对齐。依托 IMC 平台，研究团队以小鼠初级视觉皮层为切入点，成功采集了 207 个具有在体功能活动和形态信息的神经元数据，并进一步获得了其中 141 个神经元的完整三模态数据集。基于这些真实同源的多维数据，团队取得了多项重要发现：对比单一维度数据，将细胞外形与基因信息相结合能够更精准地预判神经元的功能反应；研究还发现，信使 RNA（mRNA）在细胞内的空间分布位置本身构成了一个新的分子特征维度，可用于辅助区分不同类型和功能的神经元。此外，团队还发现了一类此前从未被完整定义的兴奋性神经元亚型，这类细胞同时表达抑制性神经元的特征分子，且对视觉刺激具有特殊的响应特性，刷新了学界对神经细胞分型的固有认知。该研究产生的单神经元多模态数据已向全球开放。研究团队表示，IMC 平台使研究者能够从真实同源数据出发，分析分子身份、形态结构和功能响应之间的关系。未来该平台可扩展到更多脑区、细胞类型和行为范式，用于解析任务相关计算、环路结构和分子身份之间的关系，也可用于研究阿尔茨海默病等脑疾病中特定神经元亚型的功能异常、联接改变和分子状态变化。这项研究补齐了全球脑计划缺失的关键实验工具，为绘制完整大脑图谱、研发脑病靶向干预手段提供了重要的技术支撑。IT之家附论文地址：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.05.041