在上个世纪，英国剑桥的医学中心分子生物学实验室(MRC-LMB) Sydney Brenner团队耗时14年，在1986年首次解析出秀丽隐杆线虫(C. elegans)的神经连接组，涉及302个神经元和7600个突触，并因此获得2002年的诺贝尔生理学及医学奖。今年3月，LMB的Marta Zlatic团队耗时12年，在Science上发布了迄今为止最完整的果蝇幼虫全脑神经元连接组图谱，涉及3016个神经元和神经元之间的54.8万个突触连接，这已是有史以来所能完成的最复杂的动物大脑图谱。
2023年9月28日，西安交通大学电信学部软件学院联合剑桥LMB实验室，在《自然-方法》(Nature Methods)以长文形式发表文章D-LMBmap: a fully automated deep-learning pipeline for whole-brain profiling of neural circuitry（LMBmap: 基于深度学习的全脑神经环路量化解析方法），借助深度学习与图像处理技术，开发了介观尺度下小鼠全脑神经环路的量化解析方法，将神经环路与连接组的研究从几百到几万神经元的线虫、果蝇更易于进一步扩展至上亿神经元的小鼠中。
随着近些年来显微成像、神经元示踪以及组织透明化技术的发展，小鼠介观全脑高通量的成像数据飞速积累。然而由于小鼠大脑神经元分布密集且极度复杂、脑成像方式多样等因素，下游的计算与分析任务正成为解析神经连接组学的主要技术瓶颈，目前仍缺少一套能完整实现全脑神经环路量解析的计算方法与工具。为此，软件学院祝继华教授团队的青年教师李钟毓，联合LMB实验室的任婧团队，开发了一套基于深度学习的算法和工具D-LMBmap(deep-learning pipeline for mouse brain mesoscale automatic profiling)，实现了从全脑神经元的自动分割及环路重建、跨模态的脑图像风格转换及脑区分割、到三维全脑配准及神经环路投射的整个流程。该项工作的主要成果包括：
图1. D-LMBmap的主要工作：A. LSFM全脑成像流程，包括自身荧光(488nm)和染色特异性(647nm)两个通道；B.全脑神经元分割与环路重建；C.脑图像风格迁移，将LSFM脑图像迁移到Allen图谱的风格；D.脑区分割；E.全脑的三维配准和环路在各脑区的投射；F. D-LMBmap的软件界面及量化解析结果.
1.全脑神经元的自动分割与环路重建：该团队首次开发了一套神经元的自动标注方法，通过筛选相对干净的神经元前景和背景立方体区域，结合多种数据增强技术，以此训练面向神经元分割的三维深度神经网络模型，极大的避免了繁琐且耗时的人工标注过程。该方法可在数个小时内快速实现全脑数据上各种类型神经元(5-羟色胺、多巴胺、GABA等)的分割与全脑环路重建。该方法同样适用于由不同示踪方式标记的神经元，无论稀疏或密集都可以被准确分割。
2.脑图像的风格转换与脑区分割：考虑到不同成像方式下的脑图像存在模态差异，D-LMBmap将图像的风格迁移技术扩展到了脑图像中，该方法可将光片显微镜成像(LSFM)、核磁共振成像(MRI)等模态的脑图像与目前广泛使用的Allen脑图谱(Allen CCFv3)图像进行风格统一，从而缓解了脑图像的跨模态问题。并以此开发了半监督多视角的脑区分割方法，在无需或仅需少量脑区标注的前提下，即可实现大脑中主要脑区的精确分割(如大脑皮层，纹状体，小脑皮层，脑干等)。
3.多重约束下的三维全脑配准：这项工作开发了一种基于多重约束的多尺度三维全脑配准方法，将以上获取的具有Allen图谱风格的实验脑、以及自动分割的主要脑区作为配准网络中的约束，设计了一种由低分辨率到高分辨率级联的配准网络模型。该方法可以在几分钟内生成准确性和鲁棒性较高的跨模态配准结果(例如从LSFM脑配准到Allen CCFv3图谱)，结合全脑神经环路的重建结果，可精确地量化数百个大脑区域的神经元密度。
4.提供了用户友好且高效的软件工具：在以上所设计算法的基础上，团队进一步开发了一个用户友好且高效的软件工具，并为其配置了面向LSFM脑图像的深度神经网络模型，用户可以使用其进行三维脑图像的预处理、神经元自动分割、脑图像风格迁移、脑区分割、全脑配准以及连接组在各脑区的投射。D-LMBmap同时提供了软件的详细使用教程，无需计算机编程基础即可直接上手使用。
图2. 5-羟色胺神经元的全脑分割结果.
基于以上方法和所开发的软件工具，团队人员定量的解析出了5-羟色胺、多巴胺、GABA以及小脑中央核团在成年小鼠全脑的神经环路，给出了这些类型的神经元在数百个脑区的投射分布情况。这其中也包括了首个dorsal raphe 5-羟色胺神经系统全脑投射的三维图谱。该项工作神经科学研究提供了一个强大的计算分析工具，使得研究人员更好地理解大脑神经环路的结构和功能，有助于推动脑连接图谱、神经疾病机理等问题的进一步研究。作者们已将全部程序开放共享，并配有指导录像(https://github.com/lmbneuron/D-LMBmap)。
软件学院祝继华教授团队的青年教师李钟毓为论文第一作者，软件学院商增谊硕士、刘婧怡硕士、甄昊天硕士、朱恩涛硕士生为共同第一作者，英国剑桥分子生物学实验室(MRC-LMB)的任婧研究员为论文的通讯作者。LMB实验室位于英国剑桥，是首次破译DNA双螺旋结构的实验室，迄今为止LMB的科学家们共获得过12次诺贝尔奖，有“诺奖工厂”之称。李钟毓曾于2021年10月至2022年10月受邀在此实验室担任研究员并开展合作研究。
论文链接:https://www.nature.com/articles/s41592-023-01998-6
编辑：刘玉茹
