【重磅】五年3D大脑神经元线路图绘制项目完成！包括20万脑细胞和500万突触

　　脑细胞 来自：www.microns-explorer.org

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　　作者：Dobby

　　导读：大脑是神经系统最高级，也是最复杂的部分。是目前人体结构中最神秘的区域。神秘代表未知。目前为止，人类对大脑的了解不到5%。在这个状况之下，最近完成的5年大脑线路图的绘制任务，意味着大脑研究迈上了新的步伐……

　　来自普林斯顿大学、艾伦研究所和贝勒医学院（Princeton University, the Allen Institute and Baylor College of Medicine）的神经科学家和计算机科学家刚刚发布了一组将3D线路图与数万个神经元功能结合在一起的数据，创建了迄今为止对哺乳动物大脑回路最详细的检查图。

　　200个细胞与功能数据匹配 来源：www.microns-explorer.org

　　不可能任务

　　这个庞大的项目的完整名称为：皮层网络的机器智能 (Machine Intelligence from Cortical Networks，MICrONS) 计划。由智能高级研究项目活动（Intelligence Advanced Research Projects Activity）资助，共耗时五年完成。

　　官网截图

　　普林斯顿大学神经科学和计算机科学教授 H. Sebastian Seung 是MICrONS的首席科学家之一，他说：“我们的五年任务非常艰巨，其充满野心的目标在许多人看来是无法实现的。” “就在第一年，一位实验室成员和我争辩说，即使是第一阶段的试点也是不可能达到的。而直到今天，我们正放出一立方毫米（1 mm3）的重建小鼠脑皮层，这比第一阶段的目标还大1000倍。”

　　
该数据集已公开提供给任何人浏览和使用（文末有官网链接），其绘制了 20 万个脑细胞（brain cells）和近 5 亿个突触（synapses）的精细结构和联结度，而所有这些都包含在一个立方毫米的小鼠大脑块中，这大约是一粒沙子的大小。这个脑块来自视觉新皮层，即哺乳动物大脑中负责处理眼睛所看见的事物的那部分。

　　神秘又神奇

　　“大脑皮层是人类大脑中最大的结构，它几乎有神话般的地位，”Seung 说。“1906年诺贝尔奖获得者、西班牙英雄Santiago Ramon y Cajal就称其为‘谜中之谜’，他是绘制神经回路的先驱。我们相信Cajal会为我们在21世纪重建的这一片皮层感到十分高兴。我想我们自己也为我们所做的也感到十分开心，虽然我们因为五年的任务太累而还没回过神来呢！”

　　
这个项目的目标是挖掘大脑神经网络信息以改进机器学习。该数据集对神经科学领域也很有价值：无论是对想寻求了解大脑如何沿着清晰的回路传递信息的科学家，还是对想治疗因大脑线路或连接发生异常而导致的脑部疾病的生物医学研究人员。

　　
“我们基本上把大脑回路当作一台计算机对待，我们共有三个问题：它有什么作用？它是如何连接的？程序是什么？”艾伦研究所的高级研究员、MICrONS的首席科学家之一，Clay Reid说。“实验是为了从字面上观察神经元的活动，即看着它们计算。我们今天展示的重建能让我们看到神经回路的元素：脑细胞和线路，其跟着线路到达细胞之间的连接点，这样就能把图绘制出来。最后一步就是理解绘制出的网络，在这一步上我们也就可以说我们可以读取大脑程序了。”

　　突触可视化 来自：www.microns-explorer.org

　　电子显微镜和数据集

　　
该数据集加入了最近发布的其他使用相同技术，即电子显微镜，捕获人类和果蝇大脑线路图的行列。这个方法能展现整个微观景象下令人难以置信的细节，如在这个项目里，可以看到密集的卷须神经元、星形胶质细胞、血管和构成大脑实质物质的其他细胞的图形，以及每个细胞的所有极小的内部组成成分。

　　
新发布的MICrONS数据包含迄今为止比任何此类数据集都多的细胞和连接。它足够大，并可以捕获整个局部回路和单个小鼠神经元的近乎完整的3D形状。一些神经元以难以置信的长距离建立连接，将它们的轴突一路穿过大脑，进行传送。而这些长距离连接在这个数据集中没有完全体现。但是所选择的立方毫米体积可以捕捉涉及视觉的多个大脑区域的回路，同时可尽可能完整地捕捉到整个神经元的结构。

　　实验之前与之后

　　
在收集结构数据之前，贝勒医学院的研究团队在老鼠观看自然的图像或电影时捕捉了它们大脑中这部分神经元的活动。贝勒医学院神经科学教授、神经科学与人工智能中心主任，MICrONS首席科学家之一的Andreas Tolias说：“新皮质包含数十亿个神经元，并通过数万亿个连接进行交流，就是这些连接赋予了哺乳动物惊人的能力。而攻克这个眼花缭乱的复杂问题的关键点就在于发现线路规则与神经元功能特性之间的关系。“

　　
“该计划是独一无二的，因为它让我们组建起了一个跨学科团队，来进行一项非常雄心勃勃的实验，让我们能够回答这个问题，”Tolias表示。

　　
在贝勒实验之后，艾伦研究所的研究人员保存并切了27,000多个脑切片，每个切片只有 40 纳米厚，再使用定制的电子显微镜捕获了总共1.5亿张这些切片的图像。切割昼夜不停地进行了12天，在此期间，生物学家、工程师和软件开发人员轮流值班，确保在切割出错时立即停止并重新启动仪器。

　　
然后，普林斯顿团队用深度学习“分割”图像，再分别定义每个细胞及其内部组件。普林斯顿的软件工程师、学生和博士后团队经过数月艰苦训练后使用了卷积网络，将连续切片图像与3D图像堆对齐，检测神经元边界并识别突触连接的神经元。其中每一步都分布在一次运行数天的巨型计算机里。

　　Microglia 来源：www.microns-explorer.org

　　结果

　　200,000个脑细胞及其之间互相连接的错综美丽数字效果图

　　（其中许多以前从未以完整的形式被捕获过）

　　新开始

　　
“我很荣幸能与普林斯顿如此出色的团队以及在贝勒医学院和艾伦研究所的杰出合作伙伴一起工作，”Seung说。“我们获得了令人惊叹的皮层新景观。随着我们过渡到一个新的发现阶段，我们正在投入精力建立一个研究人员社区，他们将以多种方式使用数据，其中大部分方式我们无法预测。但是我们知道，只有通过社区的集体努力才能发挥资源潜力，使得大脑的新发现成为可能。”

　　MICrONS官方网址：

　　https://www.microns-explorer.org/

　　原文链接：

　　https://medicalxpress.com/news/2021-08-scientists-unveil-brain-wiring-diagram.html

　　注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。