Nature：AI工具揭示肥胖等疾病引发的全身变化

　　

许多疾病，包括肥胖，都会产生全身性影响，扰乱体内的多个器官系统。然而，目前仍缺乏高分辨率的工具，对全身范围内的相关变化进行全面分析。

德国亥姆霍兹慕尼黑研究中心和慕尼黑大学等机构的研究人员近日开发出一种人工智能（AI）框架，能够以细胞分辨率绘制小鼠全身的疾病相关变化。

利用这种名为MouseMapper的新平台，研究人员发现了肥胖引起的广泛炎症以及以前未发现的面部感觉神经损伤。重要的是，他们在人体组织中也发现了相应的分子特征，这表明与肥胖相关的神经损伤在物种之间是保守的。

这项研究成果于5月20日发表在《Nature》杂志上。

MouseMapper是一套基于基础模型的深度学习算法，旨在分析全身的生物成像数据。该框架可自动分割31种器官和组织类型，同时定量绘制全身的神经和免疫细胞，从而实现对完整小鼠的全面分析。

共同第一作者、慕尼黑大学的Ying Chen表示：“MouseMapper是基于基础模型构建的，这意味着它的泛化能力远超其最初训练时所用的数据。”

为了绘制全身的图谱，研究人员利用荧光标记物，对小鼠的神经和免疫细胞进行标记。然后，他们采用组织透明化技术，在保留荧光信号的同时让小鼠变得透明，从而能够对躯体深处进行成像。

利用专门的光片显微镜，他们拍摄了整只小鼠的详细三维图像，生成了包含数千万个细胞结构的数据集。然后，MouseMapper自动分析这些数据，鉴定出全身的轴突分支、免疫细胞以及解剖区域。

通过这份图谱，研究人员能够精确地观察到不同组织（包括脂肪、肌肉、肝脏和周围神经）中炎症和结构损伤发生的位置，而不需要事先选择感兴趣的区域。

为了探究肥胖是如何重塑身体的，研究人员给小鼠喂食高脂饮食，诱导了与人类相似的肥胖和代谢功能障碍。利用MouseMapper技术，他们观察到小鼠全身的免疫细胞和神经结构的广泛变化。

最值得关注的发现之一是三叉神经的部分结构变化，三叉神经是主要的面部神经，负责面部的感觉和运动功能。在肥胖小鼠中，这些感觉神经的末梢和分支数量大幅减少，表明其正常神经功能已受损。

行为实验进一步证实，与瘦小鼠相比，这些胖小鼠对感官刺激的反应较弱，这将结构损伤与感觉功能受损关联起来。

随后，研究人员对三叉神经节进行了分析。利用空间蛋白质组学技术，他们确定了与神经重塑和炎症相关的分子改变。值得注意的是，许多分子特征也在肥胖人群的三叉神经组织中检测到，这表明在小鼠身上观察到的肥胖相关神经改变也发生在人类身上。

共同第一作者、亥姆霍兹慕尼黑研究中心的Doris Kaltenecker博士称：“我们揭示了三叉神经节及其面部分支中此前未知的结构和分子变化，且相同的分子特征在人体组织中得以保留。”

除了肥胖，研究人员认为MouseMapper有望彻底改变复杂疾病的研究，包括糖尿病、癌症、神经退行性疾病和自身免疫性疾病。与仅关注特定器官或组织的方法不同，MouseMapper提供了一个整合的全身分析平台，能够识别整个机体内的疾病“热点”。

研究团队已将小鼠全身数据集在线公开（https://discotechnologies.org/MouseMapper/），让全球科学家能够探索与肥胖相关的组织和器官系统的变化。

通讯作者、亥姆霍兹慕尼黑研究中心的Ali Ertürk教授表示：“我们的长期目标是建立真正的健康和疾病小鼠的数字双胞胎，也就是细胞级的图谱，能够在计算机模拟环境中进行查询、扰动和筛选。”

“这将让我们能够精准定位疾病引发的早期变化，设计干预措施加以预防，并在减少物理实验的同时加速新疗法的开发。”