世界首次！中国科学家为同一神经元拍摄“工作视频”“全身照”“基因身份证”

我们的大脑里藏着大约860亿个神经元。有些神经元对棋盘格画面格外“兴奋”，有些只对特定方向的运动有反应；有的像一棵枝繁叶茂的大树，轴突能延伸到大脑的另一头，有的则安分地待在局部区域活动。科学家们早就知道这些千奇百怪的差异，但一直有个问题卡在喉咙里：一个神经元的分子构成、形态和连接，到底是怎么一起塑造出它的具体功能的？理想的研究方案，是在同一个细胞上同时拿到这三类信息。可惜，现有技术根本做不到——就像你既想拍照又想录像还想测基因，但三台设备互不兼容。

直到今天，这个僵局被打破了。中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的王凯团队和徐圣进团队，联手攻克了技术瓶颈，第一次给出了答案。他们自主研发了一套基于成像的多模态解析平台，在国际上首次实现了在同一神经元上同时解析其功能、结构和分子特征——打个比方，就是给一个细胞同时拍了“工作视频”“全身照”和“基因身份证”。2026年6月18日，这项成果登上了国际顶级期刊《细胞》。

有海量数据，却是一座座“孤岛”

要理解这项成果的分量，得先回到神经科学的“底层困境”。

大脑是一个极其精密的信息处理系统，神经元就是它的基本计算单元。100多年前，科学家就观察到了神经元形态的差异，但功能、分子和结构这三者之间的关系，始终是悬而未决的基本问题。理清这层关系，应用前景巨大——用王凯的话说，“就能像‘精准制导’一样调控相关神经元，这对脑疾病的精准治疗意义重大。”

目前，中国脑计划与美国脑计划都砸下重金，分别建起了海量的神经元分子、结构和功能数据库。但上个月，美国脑计划主任倪约翰（John Ngai）在一篇评论文章里点出了要害：这些数据库各自在领域内发挥了巨大作用，可彼此之间缺乏联系，就像一座座孤岛，限制了更大的价值释放。

要把这三座“数据孤岛”整合起来，几乎面临不可调和的技术冲突——按下葫芦浮起瓢。比如，记录功能时需要给神经元表达钙离子探针，可这探针用于结构成像时亮度又不够；再比如，解析结构通常要把实验鼠的脑切成薄片，但一切片就丢失了神经元完整的3D形态，也留不住分子信息。

产出三模态“金标准”数据集

为了解决这些难题，王凯和徐圣进两个团队从底层技术开始重新设计。他们开发了基于成像的神经元多模态解析技术，用柔性透明材料替换传统的玻璃“窗口”，既保证功能数据最优，又不损伤脑组织。

最棘手的一关是完整鼠脑的透明化处理。如果切片就会丢失三维信息，所以团队坚持对完整鼠脑进行透明化。但透明化过度会洗掉荧光蛋白，不透明又看不清深层结构。他们反复优化透明化配方，并自主开发了双光子显微镜——把一束光分成8束，同时进行8个不同深度的成像，把原本需要1个月的扫描压缩到100个小时，这才在“不太透明”的样本里实现了稳定高清成像。

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

如今，这个基于成像的多模态解析平台不仅产出了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，发现了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的锚点。研究产生的单神经元多模态数据已经向全球开放（https://mouse.digital-brain.cn/trimodal）。

这项成果的背后，是两个研究团队长期、紧密的深度合作。王凯擅长光学成像与工程，徐圣进擅长分子解析与神经环路，两人在海外博士后期间就已经相识，合作起来默契十足。而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——即使几年没有论文产出，所里依然认同这个方向的价值。这让团队能沉下心来，把每一个细节打磨到极致。