北京时间 2026 年 6 月 18 日，国际顶尖学术期刊《细胞》（Cell）在线刊发中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心重大原创成果。由王凯、徐圣进研究员领衔的联合科研团队，历经九年持续攻关，自主建成IMC 多模态一体化解析平台，在世界范围内首次完成同一神经元活体功能、全脑结构、原位基因分子三大维度同源整合解析，彻底打破全球脑科学领域长期存在的多模态数据孤岛，建立单神经元全息解析全新国际标准，标志我国介观脑图谱、神经环路研究跻身全球领跑梯队。
一、世界级难题：三类脑信息长期无法同源统一解析
神经元是大脑感知、记忆、思考的最小功能单元，完整破译单个神经元运作逻辑，必须同步掌握三类核心信息：
- 功能维度：神经元对外部刺激的实时电活动、动态响应规律；
- 结构维度：细胞完整形态、跨越全脑的神经纤维投射环路；
- 分子维度：细胞内部三维空间基因表达图谱，决定细胞类型与特性。
长期以来，全球各国脑计划仅能单独检测单一模态，仅少量技术可实现两类信息融合。由于功能成像、全脑重构、分子测序的样本处理、光学成像、标记体系存在天然技术冲突，三类数据无法在同一个神经元上完整留存、精准配准，海量科研数据彼此割裂，成为解析大脑认知机制、攻克脑疾病不可逾越的瓶颈。
“从双模态到三模态并非简单叠加，三种技术流程互相制约，任意一步操作都会破坏另外两类信息，流程容错率极低，此前全球实验室均未能实现突破。” 项目负责人徐圣进表示。
二、自主攻坚：国产 IMC 平台打通三模态完整技术链路
针对核心技术壁垒，团队完全依托自研设备与分子试剂搭建 IMC（Imaging-based Multimodal Characterization）一体化平台，攻克三大核心原创技术，整套体系拥有完整自主知识产权，多项核心技术已申请国家发明专利。
1. 多平面并行化双光子显微镜
突破传统单通道扫描局限，同步多层并行成像，将完整鼠脑神经元全结构重构周期由 1 个月压缩至 100 小时；无需切片即可完整保留脑组织三维空间坐标，精准追踪神经元跨脑区长距离纤维投射。
2. 二次病毒柔性标记兼容体系
创新柔性脑窗、分阶段病毒标记方案，先在清醒活体小鼠完成钙信号功能记录，再无损标记同一神经元用于全脑透明化成像，解决活体观测与固定样本结构重建的标记冲突。
3. 双色编码膨胀荧光原位杂交（2cEASI-FISH）
适配厚脑组织三维分子检测，通过组织膨胀、信号放大、双色编码实现单 RNA 分子超分辨定位，单次实验可同步解析 6 种关键功能基因，精准获取神经元原位分子特征。
完整实验流程实现无缝衔接：活体功能钙成像记录神经元动态响应→全脑透明化 + 双光子成像重构完整细胞环路→厚脑片三维空间转录组解析基因表达，全程锁定同一神经元，三类数据精准一一对应、同源可追溯。团队已在小鼠初级视皮层完成 141 个神经元全套三模态数据集采集，获得全球首批同源单细胞三维全息数据。
三、颠覆性科学发现：神经元功能由分子 – 结构 – 环路协同决定
依托全球首个同源三模态数据库，团队取得多项全新认知：
- 神经元响应外界刺激的功能特征，无法单独依靠基因表达或细胞形态预测，只有整合分子、全脑投射结构两类信息，才能大幅提升对细胞功能的预判精度；
- 同一脑区形态相似的神经元，因基因表达谱、远端投射环路差异，会产生完全不同的视觉响应模式，厘清神经元亚型分类的底层判定标准；
- 首次在单细胞层面直观证明，分子特征决定细胞基础属性，环路连接塑造动态功能，为大脑分层信息处理机制提供直接实验证据。
四、重大应用价值：赋能脑疾病、类脑智能全链条创新
本次原创技术突破，将全方位推动脑科学上下游领域变革：
1. 脑疾病机制与精准诊疗
阿尔茨海默病、帕金森、抑郁症、精神分裂症等脑病，核心病变均体现为特定神经元分子、环路、活动异常。IMC 平台可定位病变神经元完整三维特征，挖掘疾病早期分子标志物，为靶向药物、神经调控治疗提供全新靶点，加速脑病精准医疗研发进程。
2. 介观脑图谱绘制升级
当前全球脑图谱多为单一模态数据库，IMC 技术可构建 “分子 – 结构 – 功能” 一体化单细胞脑图谱，为绘制高精度全脑介观连接图谱提供核心工具。
3. 类脑计算与脑机接口研发
完整解析神经元信息编码逻辑，为仿生神经网络、低功耗类脑芯片、高兼容性脑机接口提供真实生物底层模型，助力下一代人工智能、意念控制设备底层创新。
4. 跨物种脑演化研究
技术体系可拓展至非人灵长类动物实验，对比人、猴、小鼠神经元多模态特征，解析人类高级认知功能演化底层机制。
五、行业评价：树立全球神经科学研究新范式
《细胞》期刊审稿专家评价：“该工作解决了领域内二十年来的核心技术痛点，首次实现同一细胞三类关键信息无损耗整合，彻底改写神经元研究实验范式，将推动全球脑科学领域大规模数据重解读。”
中科院脑智卓越中心主任蒲慕明院士表示，该成果是我国 “脑科学与类脑研究” 重大科技专项标志性底层技术突破，整套设备、试剂、算法全部自主可控，摆脱高端脑成像设备与分子试剂海外依赖，筑牢我国脑科学领域技术安全底座。
下一步，团队将持续优化 IMC 平台通量与检测精度，拓展至非人灵长类脑组织研究，并向国内科研院所、医药企业开放共享平台，联合开展脑病转化医学、类脑智能交叉研究，持续产出引领全球的脑科学原创成果。
