以显微光学切片断层成像[6]（micro-optical sectioning tomography, MOST）为标志的全脑高分辨精准空间定位与成像方法的日益成熟和应用，使得在全脑范围测量和绘制三维精细的脑连接图谱、建立标准化的数据体系成为可能。这里所说的三维精细脑连接图谱不是传统的、由若干带有注释信息的、离散的断面图片的集合，而是指空间间隔为亚微米（准连续）、能分辨出单个神经元、具有明确空间尺度和位置信息的全脑结构及功能（包括基因组、转录组、蛋白质组和代谢组等信息）连接图谱。为此，有必要建立规范的脑空间信息研究科学体系，即运用现代信息科学理论、技术与方法，从信息科学角度，以高的体素分辨率（voxel resolution），如细胞/轴突/毛细血管分辨水平，在全脑范围测量（surveying）与绘制（mapping）脑结构和功能信息的三维空间分布，如神经元投射、神经/血管分布、基因组/蛋白组/代谢组/转录组分布等，从而揭示脑连接及活动的时空特征和变化规律，如神经元和血管走向、同类型神经元的覆盖范围、神经元之间的时空连接特征及投射方向等。脑空间信息学的提出正是顺应这一发展趋势的体现。

脑空间信息学的定义

脑空间信息学（brain-spatial information science, brainsmatics）是以脑连接的基本结构与功能单元为研究对象，揭示脑连接空间信息机制，引导脑疾病防治与智能技术发展的新兴交叉学科。该学科是认知脑功能并进而探讨意识本质的科学前沿，是沟通脑科学与智能科学的桥梁。脑空间信息学将脑作为一个完整的系统，顺应智能技术发展需求，以脑科学和信息科学的基本理论为指导，运用新兴的全脑高分辨精准空间定位与成像方法，同时结合多种前沿脑科学研究技术，标记、获取、分析和可视化具有明确空间尺度和位置的精细脑网络结构与功能信息，从大数据中提取跨层次、多尺度的脑连接时空特征，揭示感知、记忆、意识和情感等脑连接空间信息机制，从而促进脑健康与智能技术的跨越式发展。

脑空间信息学的研究内容、技术体系及关键科学问题

这里从脑连接的示踪、测量、可视化以及时空信息特征的提取与模拟等 4 个方面简要讨论脑空间信息学的研究内容、技术体系及关键科学问题。脑空间信息学的技术体系是指贯穿脑空间信息示踪、测量、分析、处理、呈现、传播和应用等一系列技术方法所构成的完整技术方法的总和。它是实现脑空间信息从获取到应用的技术保证，并能在自动化、时效性、详细程度和可靠性等方面满足人们的需要。

对比脑科学的其他分支学科可以看出，虽然研究对象都是脑神经系统，脑空间信息学具有相对独特而成熟的技术体系，特别是介观尺度的全脑高分辨精准空间定位与成像，为获取具有明确空间尺度和位置的精细脑网络结构与功能信息，并从大数据中提取跨层次、多尺度的脑连接时空特征提供了技术保证。与过于理想的连接主义[2] 不同的是，可行的技术体系标志着脑空间信息学这一新兴交叉学科日臻成熟。

脑连接的示踪

脑连接的示踪主要研究并运用各种示踪技术，从分子、突触、单细胞，到环路、网络和脑区等不同层次，为多模态原位获取精细脑连接结构和功能信息，提供特异、高效、可控的标记方法。19 世纪末和 20 世纪初，意大利科学家 Camillo Golgi 和西班牙学者 Santiago Ramón y Cajal 先后开发利用高尔基银染法对神经元进行染色，并获得 1906 年的诺贝尔生理学或医学奖，由此可见示踪方法的重要性。

现有示踪技术包括: 借助化学、病毒学和基因组、蛋白质组、转录组、代谢组等组学技术，发展不同尺度下脑空间信息的原位标记技术，如转基因技术[7]、示踪标记技术[8]（免疫标记、染色示踪、转染标记等）、基因编辑技术[9] 等，实现对不同层次脑连接基本单元的特异、高亮标记。从实现测量的角度，通常被忽视的样品制备技术[10~13] 往往是最重要制约因素。图1 展示了 Thy1-eYFP-H 转基因小鼠脑内初级运动皮层神经元（绿色、紫色）和初级视觉皮层神经元（黄色、蓝色）的长程投射及分布。

图1 小鼠初级运动皮层神经元(绿色、紫色)和初级视觉皮层神经元(黄色、蓝色)的长程投射及分布