国际顶尖学术期刊《细胞》近日在线发表了一项来自中国科研团队的重要突破——中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的研究人员王凯、徐圣进联合团队，成功开发出基于成像的多模态解析平台IMC，首次实现了对同一神经元的在体钙活动、全脑投射形态与3D原位基因表达谱的高精度整合解析。这一成果标志着神经元研究从传统的单一维度认知迈向了多维立体的“三维画像”时代。
大脑由数十亿神经元构成，每个神经元既是独立的信息处理单元，又通过复杂的网络相互连接。要全面理解一个神经元，需要同时掌握其功能活动、结构特征以及分子组成。然而，长期以来，这三类信息的获取依赖于完全不同的实验体系，数据之间难以互通，形成了脑科学研究中的“信息孤岛”。尽管国际上已有双模态整合技术的尝试，但同时整合功能、结构与分子信息的“三模态”研究始终未能突破。
研究团队负责人徐圣进解释，从双模态到三模态的跨越并非简单的技术叠加，而是需要解决三对模态间的兼容性问题。例如，功能成像要求大脑组织透明化，但这一过程会导致荧光标记褪色，而结构成像又需要更亮的标记信号；分子检测则需在厚组织中实现高分辨率定位，这对成像技术提出了极高要求。团队历时九年，通过自主开发多项核心技术，最终攻克了这些难题。
IMC平台的运作流程包含三大关键步骤：首先，在清醒小鼠中利用双光子钙成像技术记录神经元对视觉刺激的功能响应；随后，通过二次病毒注射标记与脑透明化处理，结合多平面并行化双光子显微镜，在完整鼠脑中重构同一批神经元的全脑三维结构；最后，利用厚组织3D空间转录组技术，在200微米厚的脑片中完成基因表达与RNA亚细胞定位检测。整个过程涉及数十道精密工序，历时两个多月，任何环节的失误都可能导致前功尽弃。
团队最终成功获取了141个神经元的完整三模态数据集，每个神经元均包含功能响应记录、全脑三维形态及30个基因的表达图谱。这一数据集的获得，得益于研究团队在技术融合上的创新突破。例如，为解决功能与结构成像的兼容冲突，团队发明了二次病毒注射技术，并开发了柔性光学窗口，使注射电极能够穿透窗口进行二次标记；在全脑成像环节，自主设计的多平面并行化显微镜将成像时间从传统方法的数月压缩至100小时。
该研究的起源可追溯至2017年，当时中国“脑科学与类脑研究”重大项目刚刚启动，王凯团队便将多模态整合作为主攻方向。初期探索充满挑战，首批学生直至毕业仍未取得实质性进展。转折点出现在2021年，徐圣进从海外归来加入团队，他此前专注于“功能—分子”双模态整合技术，而王凯则擅长神经光学成像与全脑结构解析。两个实验室的深度融合，为三模态研究注入了新动力。
“两个团队合并后又奋斗了五年，期间克服了无数困难。”王凯回忆道。例如，在分子检测环节，团队攻克了厚组织中单个RNA分子的超分辨定位技术，这一突破使得在200微米厚的脑片中仍能清晰分辨RNA的亚细胞分布。研究还得到了上海市级重大专项与科技创新2030“脑科学与类脑研究”重大项目的持续资助，为长期稳定的研究提供了保障。
基于IMC平台的三模态数据集，研究团队揭示了多项颠覆性发现。传统观点认为，神经元的功能可通过其形态或分子特征单独预测，但新数据显示，当三组数据结合时，预测准确率显著提升，表明神经元功能由分子状态、细胞形态与环路连接共同决定。团队发现RNA分子的亚细胞定位（如细胞核或细胞质）本身就是一个独立的信息维度，不同定位对应着截然不同的投射模式与功能类型。
更令人意外的是，部分兴奋性神经元同时表达了抑制性神经元的标志分子，并对特定视觉刺激呈现出独特响应模式。这一发现挑战了教科书中“兴奋”与“抑制”的二元分类框架，为理解神经元功能的复杂性提供了新视角。目前，这批珍贵数据已向全球科研界开放共享，IMC平台未来计划扩展至更多脑区与行为范式，并探索在脑疾病研究中解析特定神经元亚型的应用潜力。
