迄今最精细人脑三维“地图”亮相：半粒米大小的脑组织，包含近1.5亿个神经突触

在神经科学领域里，一场“划时代”的突破正在悄然发生。美国哈佛大学研究团队与谷歌的科学家们合作，成功地对1立方毫米的脑组织进行纳米级建模，绘制了一张迄今最精细的人脑三维“地图”。

据悉，该图谱包含5.7万个细胞、230毫米长的血管和1.5亿个突触的信息，为在超细胞、细胞和亚细胞水平上观察脑组织提供了一个独特的视角。相关论文发表于最新一期《科学》杂志。

▲3D图像显示的兴奋性神经元：蓝色神经元是离大脑表面最近的神经元，紫红色表示最内层

整个模型的数据量

相当于100万本书的内容

图谱展示了一块大约半个米粒大小的人类颞叶皮层细胞及神经连接网络的生动细节。

哈佛大学团队负责人、神经科学家杰夫·利希特曼博士表示，“这个组织还不到一粒米大，但我们把它切开后，发现它真的很漂亮。当我们积累相关数据时，我意识到还有很多事情要做。”

这块大脑组织样本来自一名45岁的女性患者，在治疗癫痫的手术中切除。研究人员将其保存在树脂中，并利用金刚石制成的刀片将样本切割成约5000层，每层仅34纳米厚（大约是人类头发厚度的千分之一）；然后使用重金属染色，再通过电子显微镜进行成像；最后利用人工智能模型将这些显微镜图像拼接起来，重建了整个样本的三维结构。

通过这些图像，研究团队构建了一个包含约5.7万个细胞、230毫米血管和1.5亿个突触连接的3D模型，整个模型的数据量达到了惊人的1.4PB，大概相当于100万本书的内容。

2019年，谷歌公司致力于开发果蝇大脑的数字模型，而利希特曼实验室恰好面临数据处理的挑战——生成的图像数据量巨大，需要大量存储空间。为此，利希特曼联系了谷歌公司负责果蝇项目的高级研究科学家维伦·贾因博士。

贾因博士表示，“（哈佛大学提供的数据中）有3亿张独立的图像。数据的庞大规模源于采用了极高的分辨率（单个突触的水平）进行成像。在这么一小块脑组织样本中，我们观察到大约1.5亿个突触。”

为了解析这些图像，谷歌的科学家们采用了基于人工智能的处理和分析技术，以识别每张图片中的细胞类型以及它们之间的连接方式，最终得出一个交互式的脑组织3D模型和迄今为止在如此高分辨率下制作的人类大脑结构的最大数据集。

有助于更好地理解大脑结构和功能

为治疗精神疾病等提供新线索

这一精细的大脑图谱揭示了以前未曾见过的神经细胞之间的连接模式，包括形成结节的细胞和几乎是彼此镜像的神经元。

这些发现可能会为神经科学领域带来重大的发现，不仅有助于人类更好地理解大脑的结构和功能，还可能为治疗精神疾病和神经退行性疾病提供新的线索。

▲单个人类神经元（白色）和连接到它的其他神经元的所有轴突，蓝色线是抑制性轴突、绿色线是兴奋性轴突

利希特曼博士表示，尽管他们的数据集在体积上微不足道，但其所包含的信息量却是巨大的。“当你深入了解它时，你会发现它就像一个巨大的森林，但（整体来看）又是一个微小复杂的森林。”

美国马里兰大学的神经科学家赛斯·阿门特评价称，“能够对任何人类大脑样本进行如此深入的重建，标志着我们在神经科学领域的一项重要进步。”在他看来，该图谱是“迄今为止我们能获得的与真实情况最为接近的人类大脑地图”，他同时也提醒，这一研究只是基于单个个体的大脑样本进行的。

美国印第安纳大学心理学和脑科学杰出教授斯波恩斯表示，“每个人的大脑都是一个由数十亿个神经细胞组成的巨大网络，这个网络允许细胞以非常特定的模式进行联通，这对于记忆、思维和行为至关重要。绘制这个网络，对于弄清楚大脑如何工作至关重要。”他指出，这项研究为实现这一重要目标开辟了新天地，并为探索和发现人脑提供了令人兴奋的新机会。

该图谱揭示了以前未见过的细胞特征，例如一些神经元之间形成多达50个突触的连接，还有一些神经元的轴突形成了复杂的螺旋结构。这些发现可能会为理解大脑如何处理信息和存储记忆提供新的线索。尽管该图谱只展现了大脑的一小部分，但它为研究人类大脑提供了宝贵的资源，通过深入分析这一数据集可以进一步揭示大脑的微观结构和功能。

红星新闻记者 范旭 实习生 黄金

编辑 张莉 责编 李彬彬