從書面到網路，全球第一個3D互動式鼠腦圖譜上線了！
- 李志昌／宜蘭大學生物機電工程學系兼任助理教授
2D變3D，實驗小鼠腦細胞圖譜立體化
2018年11月，在經歷 5 年的資料分析與整合後，藍腦細胞圖譜 (Blue Brain Cell Atlas) 於瑞士的神經科學研究機構洛桑聯邦理工學院 (École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) 誕生。這個號稱第一個提供小鼠全腦數位 3D 細胞圖譜的平台，讓神經科學相關研究人員得以查閱與下載 737 個腦區的細胞資訊（如數量、密度與 3D 位置）、神經元調控性質（興奮性、抑制性或調節性）的類別及多種神經膠細胞的組成細節，且該圖譜還維持其動態性並可持續更新。
在此之前，類似可得的數據，只有來自不同研究機構分散在特定小區域的研究，僅占不到全腦細胞的4％，此圖譜一次補足了之前缺乏的 96％，其中很多腦區細胞量化分析過去較少被碰觸，因此彌足珍貴。然而，這樣的公開資料發表，只是一個過往雲煙的科學新聞，或是一個科學進展新的里程碑呢？
翻開神經科學的教科書，提到大腦分區的內容時，常會看到大腦表面起伏曲折的腦迴及不同切開的剖面，有如著色本，塗上不同的顏色，標註著一區一區的數字或名稱。這源自德國學者布洛德曼 (Korbinian Brodmann) 在 1909 年發表的專書，根據腦組織切片染色呈現的細胞分層結構變化訂出界線，將腦區分出的 52 個區域，百年來持續被沿用著。
帕西諾 (George Paxinos) 和華森 (Charles Watson) 合著的《大鼠腦圖譜》( The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates) ，曾是神經科學研究者不可或缺的工具書，無論手術、打藥或埋設記錄電極前，總要來回翻閱圖譜標示的核區名稱與座標，參照用尼氏染色 (Nissl stain) 或乙醯膽鹼酯酶染色 (Acetylcholinesterase stain) 的組織切片，在腦海中想像目標的樣貌。這本書自 1982 年出版後，帕西諾等人多次修訂更新，除了紙本之外，也發行過電子版，讓讀者可以在電腦螢幕上翻閱、縮放與複製，著實便利了許多。除了大鼠之外，圖譜的物種也擴增到小鼠、恒河猴、狨猴、雞和人等版本，這一系列的腦圖譜著作，至今被引用超過 6 萬次，其重要程度不言而喻。
瑞士神經科學研究機構洛桑聯邦理工學院，花費五年時間建立的小鼠全腦數位 3D 細胞圖譜平台。截圖自：Blue Brain Cell Atlas
滑鼠一點即知，互動式圖譜新體驗
已故的微軟創辦人之一艾倫 (Paul Allen)，在 2003 年贊助種子基金所成立的艾倫腦科學研究所 (Allen Institute for Brain Science)，短短幾年內便建立網路版的腦圖譜，提供即時圖文雙向互動的新體驗。
當滑鼠在腦圖上移到想要查閱的區域，結構的名稱隨即出現，亦可透過腦組織層級架構的樹狀名錄點選，或從搜尋框輸入結構名稱或縮寫，找到的結構會立即顯示在圖譜上。 除此之外，可用滑鼠直覺式地縮放與拖曳，同步顯示的比例尺，切換標示圖譜或組織相片的顯示，甚至轉換不同方向的切面與不同年紀的多套圖譜，都可在一瞬之間完成。和傳統的紙本圖譜相比，互動式的網路圖譜是一大進化，這份標示超過 700 個腦區的參考圖譜，也成了日後在圖譜上增建多層資訊的骨幹。
從平面到立體；從模糊到清晰，數據累積ing…
在參考圖譜上線的同時，大量規模的原位雜交 (in situ hybridization) 基因表現研究，以工業化式的方式在艾倫腦科學研究所進行，2006 年上線的基因表現圖譜 (Anatomic Gene Expression Atlas, AGEA) 涵蓋了超過 2000 個基因於小鼠全腦表現的分布，2009 年正式論文發表時，基因數據倍增到 4376 個，時至今日約有 2 萬個基因表現數據已完成，同時搭配 3D 立體展示的瀏覽器「Brain Explorer 2」，讓腦圖譜的展示方式邁入 3D 的里程碑。
此外，艾倫腦科學研究所另一條生產線正在海量生產「神經連結路徑」的資訊。透過腺相關病毒 (adeno-associated viral, AAV) 載體攜帶的螢光蛋白基因，微量注射到野生型 (wild-type) 小鼠不同的腦區，該腦區的投射路徑會被螢光蛋白表現的訊號標示，或透過 cre 驅動 (cre-driver) 品系的基因轉殖小鼠，以 cre-loxp 重組技術產生螢光蛋白，標示特定族群的神經路徑。
完成路徑標定的全腦以膠體包埋固定，用全自動的切片裝置平整將其剖面，並以雙光子雷射掃描顯微系統將表層影像資訊數位化，每隔 100 微米逐層切削腦片同時取得影像，大約掃描 140 張切片，累積出 750 GB 的影像數據，解析力達到 350 奈米，如此建構出特定神經路徑在腦中的投射全貌，目前已累積 2995 個神經路徑追蹤的實驗數據。
腦圖呈現三級跳，大量數據、科技進步是關鍵
傳統 2D 標示區域的參考腦圖，短短幾年內便在艾倫腦科學研究所經歷多次進化。 第一次的進化是「電子化」與「互動查詢」 ，整合多套不同年齡、切片方向、物種的參考圖譜於同一查詢介面，可即時切換。接著， 第二次進化是對「腦區功能的探索」 ，約 2 萬種已知的基因，先後在全腦進行大規模的基因表現調查，用全新的觀點賦予腦功能分區新的定義。 第三次再進化是加入的「神經連結路徑」 ，讓不同腦區之間協同運作的網路，有一個明確描述的藍圖。
目前，這些不同類型的資料，都已經和標準的 3D 腦模型結合，可以套疊多次路徑追蹤實驗或是多個基因表現的資料同時呈現，預覽實驗中不容易實現的狀況，並能利用遮罩選擇繪圖範圍，從任意視角選擇最佳縮放比例，視覺上呈現有如在虛擬空間中遨遊的效果。對任一位置上的基因表現或是神經路徑想要更仔細了解，還可以在滑鼠點擊之後，呼叫出高解析的原始組織切片，甚至能與標示詳細的參考圖譜並排顯示。而單機版的 3D 立體瀏覽器「Brain Explorer 2」也開始轉型為線上網頁的服務，目前 beta 版尚在建構中，相信進化完成後會帶來更先進功能的線上圖譜。
開放資源、跨域合作，研究成果持續優化中
有了橫切面與縱切面詳細標示腦區的 2D 互動式網路圖譜，有了 3D 的模型以及各種基因的表現數據，有了高解析腦區間投射的連結路徑，有了個腦區的細胞種類、數量、密度的資訊……，每隔一段時間，各種「有了」的喜訊再度成為新聞的焦點，進化中的腦圖譜便又立下一個新的里程碑。
而這次 EPFL 所發表的藍腦細胞圖譜，分析的原始腦切片資料與基因表現的數據，正是艾倫腦科學研究所的開放源資料。這個趨勢誠如該機構所倡議 Big science（大規模、標準化）、Team science（跨領域、跨團隊）與 Open science（非營利、開放源）的發展方向，沿著這種進化的方向，持續將多元的資訊，加注到數位化的腦圖譜架構中，相信不久的將來，可以看到功能更強大，資訊更多元的數位腦圖譜。
進化中的腦圖譜。（點圖放大）（上）2D圖譜，提供位置名稱與座標供查閱；（中）2D互動式圖譜，滑鼠指到的位置，名稱即時出現，並可與組織切片原始圖像同步顯示；（下）3D互動式圖譜，可套疊多層基因表現或神經路徑的資訊，任意視角與縮放顯示，並可調閱任一點的原始數據圖像與參考圖譜。圖／作者提供
延伸閱讀
- Csaba Erö et al., A Cell Atlas for the Mouse Brain, Front. Neuroinform., 2018.
- George Paxinos and Charles Watson, The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates , Academic Press, 1982.
- Seung Wook Oh et al., A mesoscale connectome of the mouse brain, Nature , Vol. 508: 207, 2014.
〈本文轉載自《科學月刊》2019年5月號〉一個在資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫的科普雜誌。
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