2025年7月10日，《Cell》期刊发表了中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）联合华中科技大学苏州脑空间信息研究院、上海脑科学与类脑研究中心等团队的研究论文《Single-neuron projectomes of macaque prefrontal cortex reveal refined axon targeting and arborization》。首次在单神经元水平上系统重构了猕猴前额叶的全脑连接网络，揭示了猕猴前额叶神经元在大脑中的连接规律。同时，通过将猕猴与小鼠的前额叶单神经元投射图谱进行比较，发现灵长类神经元具有高度精细化的结构特点，为深入解析灵长类复杂认知功能的神经机制提供了理论基础，对于启发新一代人工智能具有重要意义。

图1：猕猴与小鼠的前额叶单神经元投射图谱比较

包括人类在内的灵长类动物大脑的前额叶皮层在进化中表现出显著的扩张，被认为是支撑高级认知功能的关键神经基础。之前对非人灵长类动物前额叶神经连接的研究，主要是通过群体病毒示踪标记技术、功能磁共振成像等手段，无法在单神经元水平、全脑尺度对其进行细致地分析。同时，灵长类大脑中可用于重构轴突的亚微米分辨率的全脑成像数据体量巨大，如猕猴脑数据接近PB（1000 TB）量级。如何在超大规模的光学成像数据中准确、高效地重构出大量单神经元投射谱，是灵长类全脑介观神经连接图谱研究所面临的巨大挑战。

为解决这一问题，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的严军研究组前期开发了Fast Neurite Tracer (FNT)神经元追踪软件，实现了TB级光学成像数据中的单神经元重构，绘制了小鼠前额叶单神经元投射图谱 (Gao et al. 2022, 2023)。在此基础上，严军研究组进一步开发了适用于PB量级数据处理的、基于AI算法自动重构和大规模协同校对的神经元重构系统Gapr (Gapr accelerates projectome reconstruction)，为绘制灵长类大脑的单神经元投射图谱奠定了基础 (Gou et al. 2024)。

研究人员在猕猴（食蟹猴）的大脑前额叶选取了19个注射位点进行单神经元的荧光标记和fMOST成像，利用自主研发的Gapr系统进行了大规模单神经元的全脑三维重构，最终获得了猕猴前额叶2231个单神经元的投射谱（图2）。

图2：猕猴前额叶的单神经元数据获取流程和投射谱数据展示

（A）猕猴全脑成像数据的获取。（B）利用Gapr进行的PB级图像转换、单神经元自动重构与大规模在线校对。（C）注射位点的分布。（D）按注射位点着色的单神经元轴突全脑分布。

基于轴突在全脑中的靶向特征，这些神经元被划分为32种不同类型，每种神经元类型的轴突投射到大脑的不同区域，涵盖顶叶、颞叶、对侧半球、纹状体、丘脑、中脑和脑桥等脑区。进一步基于AI的功能预测分析表明，这些不同神经元类型与感觉、运动、情绪、认知和记忆等众多高级功能密切相关（图3）。

图3：猕猴前额叶单神经元投射谱的投射亚型聚类分析及其脑功能预测

（A）32个投射亚型的聚类。（B）32个投射亚型的UMAP分布图。（C）基于AI的投射谱功能预测。

通过对猕猴前额叶单神经元投射谱的深入分析，研究人员发现了一系列组织规律（图4）：首先，猕猴前额叶存在分别投射到顶叶、颞叶的神经元，而前额叶不同区域的神经元特异性地投射到顶叶或颞叶的不同亚区。其次，猕猴前额叶神经元之间存在模块化的连接网络，可能提供了前额叶维持工作记忆的重要机制。第三，在猕猴前额叶对纹状体和对侧皮层的投射区域，发现了“斑块状”轴突末梢结构。这种聚集分布的末梢结构在小鼠中并未发现，显示出灵长类神经元更为精细的调控方式。第四，与小鼠相比，猕猴前额叶的对侧投射神经元有更强的对侧偏好，体现出灵长类大脑中支配对侧半球的神经元功能更为专一。第五，前额叶神经元对皮层下脑区存在区域特异性投射，揭示了不同前额叶区域对相同下游脑区有着差异化的控制模式。

图4：猕猴前额叶单神经元投射谱展现的不同连接模式

（A）顶叶和颞叶皮层的投射。（B）前额叶模块间的内部连接。（C）对侧投射的神经元（左上图）、代表性的对侧轴突末梢分布（右上图），以及纹状体投射的神经元（左下图）、纹状体内形成的“斑块状”轴突末梢（右下图）。（D）丘脑、中脑、脑桥等皮层下区域的投射。

通过与小鼠的前额叶单神经元投射图谱的系统性比较，本研究发现猕猴前额叶神经元有与小鼠神经元类似的靶区选择性，但具有更长的轴突主干，更少的旁支数目，以及相对更小的轴突末梢等形态特点（图5）。由此说明灵长类神经元比啮齿类神经元在结构上更为简单、投射靶区更为专一、调控范围更为精细。灵长类前额叶模块化、功能特异性的连接，提供了灵长类形成高级的认知与执行功能的神经元结构基础。

图5：猕猴与小鼠的前额叶单神经元投射谱的跨物种比较

（A）猕猴与小鼠的皮层长程投射神经元的跨物种比较。（B）猕猴与小鼠的不同投射类型的神经元的轴突长度、轴突分支数，以及轴突主干长度、旁支数、轴突末梢相对大小的比较。

综上所述，本研究不仅揭示了灵长类大脑如何演化出高级认知功能的潜在结构基础，也为探究精神疾病的神经根源提供了新思路，对人类的大脑功能研究也具有十分重大的推动作用。本研究还能够为未来设计人工智能系统提供生物学灵感，有助于启发类脑计算等相关领域的进一步探索。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的严军、徐春，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、上海脑科学与类脑研究中心的沈志明，华中科技大学苏州脑空间信息研究院的杨孝全为论文共同通讯作者。本研究是“全脑介观连接图谱”的系列研究之一，得到了科技部“2030重大项目”、国家自然科学基金、临港实验室项目、国家重点研发计划、中国科学院青年基础研究发展计划等项目的联合资助。