中国科学家首次为单个神经元拍摄工作视频与基因身份证

人脑由大约860亿个神经元构成。部分神经元对棋盘格图案高度敏感，另一些仅响应特定方向的运动；有的轴突如繁茂树冠般延伸至对侧脑区，有的则局限在局部区域活动。科学家早年已认识到这些多样性，但核心难题始终未解：单个神经元的分子组成、形态结构与连接方式，如何共同决定其具体功能？理想方案是在同一细胞内同步获取这三类数据。然而，现有技术无法实现——类比于同时拍摄照片、录像并检测基因，但设备互不兼容。

如今，这一僵局被打破。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王凯团队与徐圣进团队联合攻克技术瓶颈，首次给出了答案。他们自主研发了基于成像的多模态解析平台，在国际上率先实现同一神经元的功能、结构与分子特征的同步解析——相当于同时为该细胞拍摄“工作视频”“全貌影像”和“基因身份证”。2026年6月18日，该成果发表于国际顶级期刊《细胞》。

海量数据沦为“孤岛”

要理解这项成果的意义，需先回到神经科学的根本困境。

大脑是高度精密的信息处理系统，神经元是基本计算单元。百年前科学家已观察到神经元形态的差异，但功能、分子与结构三者的关系始终悬而未决。厘清这层关系具有巨大应用潜力——用王凯的话说，“可像‘精准制导’一样调控相关神经元，对脑疾病精准治疗意义深远。”

目前，中国脑计划与美国脑计划均投入巨资，分别构建了海量神经元分子、结构与功能数据库。但上月，美国脑计划主任倪约翰（John Ngai）在一篇评论中直指要害：这些数据库各自在领域内发挥重要作用，但彼此割裂，形同孤岛，限制了更大价值的释放。

整合这三座“数据孤岛”面临几乎不可调和的技术冲突——按下葫芦浮起瓢。例如，记录功能需为神经元表达钙离子探针，但该探针用于结构成像时亮度不足；解析结构通常需将鼠脑切成薄片，但切片会破坏神经元完整3D形态，且无法保留分子信息。

产出三模态“金标准”数据集

为攻克这些难题，王凯和徐圣进团队从底层技术重新设计。他们开发了基于成像的神经元多模态解析技术，以柔性透明材料替代传统玻璃“窗口”，既确保功能数据最优，又不损伤脑组织。

最棘手的一环是完整鼠脑的透明化处理。切片会丢失三维信息，因此团队坚持对完整鼠脑进行透明化。但过度透明会洗脱荧光蛋白，透明不足则无法看清深层结构。团队反复优化透明化配方，并自主开发双光子显微镜——将一束光分为8束，同时进行8个不同深度的成像，将原本需1个月的扫描压缩至100小时，最终在“不太透明”的样本中实现稳定高清成像。

此外，他们还在200微米厚的鼠脑组织中完成3D原位基因解析，最大限度保留神经元的完整3D形态及局部空间微环境。

如今，该基于成像的多模态解析平台不仅产出141个神经元的完整三模态“金标准”数据集，还验证了形态与分子共同塑造功能，发现RNA亚细胞定位的新维度。这些数据为未来脑图谱跨模态融合提供了坚实锚点。研究产生的单神经元多模态数据已向全球开放（https://mouse.digital-brain.cn/trimodal）。

这项成果背后是两个研究团队长期、紧密的深度合作。王凯专长光学成像与工程，徐圣进精于分子解析与神经环路，两人在海外博士后期间即已相识，合作默契。脑智卓越中心为这种高风险、长周期的原始创新提供了稳定支持——即使数年无论文产出，所里仍认可该方向的价值。这使得团队能沉心打磨每一个细节至极致。