150多人科研团队绘制出部分哺乳动物大脑的完整连接和活动图

一个由 150 多名科学家组成的团队实现了曾经看似不可能完成的任务：绘制出哺乳动物大脑一小部分的完整连接和活动图。这项创举是MICrONS项目的一部分，其雄心和规模堪比人类基因组计划，利用尖端人工智能、显微镜技术和团队合作，绘制了超过20万个脑细胞和数百万个突触的图谱。

研究人员发现了众多新发现，揭示了抑制性神经元如何选择性地影响其他神经元，从而深入了解了思维、记忆以及阿尔茨海默病等疾病是如何从细胞相互作用中产生的。这项成就开启了脑科学和医学突破的新纪元。

科学家们从一小块不及一粒沙子大小的脑组织中，实现了曾经看似不可能的事情：绘制出大脑各部分详细的功能性连接图。1979年，分子生物学家弗朗西斯·克里克曾预言：“不可能绘制出一立方毫米脑组织的精确连接图，以及其中所有神经元的放电方式。” 但如今，经过七年的努力，来自世界各地的150多位科学家和研究人员，让这一愿景更接近现实。

这幅图展示了 MICRONS 项目重建的 12 万个脑细胞（神经元 + 神经胶质细胞）中超过 1000 个的子集。每个重建的神经元都呈现出不同的随机颜色。图中发光的神经元是有颜色的。图片来源：Forrest Collman/Allen 研究所

“皮层网络机器智能”（MICrONS）项目绘制出了迄今为止最详细的哺乳动物大脑连接图。该成果于4月9日在《自然》系列期刊上发表的十篇科学论文中分享，为理解大脑的结构和功能，尤其是在视觉系统方面，提供了前所未有的见解。该数据集可通过MICrONS Explorer获取，总计1.6PB，大约相当于22年的连续高清视频。

“ 《自然》杂志特刊上发表的 MICrONS 进展是神经科学的一个分水岭，其变革潜力堪比人类基因组计划，”协调这项工作的前 IARPA 项目经理 David A. Markowitz 博士说。

IARPA 对 MICrONS 项目的“登月”式投资打破了先前的技术限制，创建了第一个能够研究神经结构与功能之间关系的平台，其规模足以理解智力。这一成就验证了我们专注的研究方法，并为未来扩展到全脑层面奠定了基础。

贝勒医学院的科学家们首先使用专门的显微镜，记录了小鼠在观看各种电影和YouTube视频时，其视觉皮层一立方毫米区域的脑活动。之后，艾伦研究所的研究人员将同样大小的脑组织切片，切成超过25000层，每层厚度仅为人类头发丝的1/400，并使用一系列电子显微镜对每层切片进行高分辨率拍照。最后，普林斯顿大学的另一个团队利用人工智能和机器学习技术，将细胞和连接重建为3D模型。

结合大脑活动记录，结果是迄今为止最大的大脑接线图和功能图，包含超过 200，000 个细胞、四公里长的轴突（延伸到其他细胞的分支）和 5.23 亿个突触（细胞之间的连接点）。

“在那微小的斑点内部，隐藏着一整套结构，如同一片精致的森林，”资深研究员、电子显微镜连接组学早期奠基人之一、医学博士、哲学博士Clay Reid说道，他于13年前将这一科学领域引入了艾伦研究所。“它包含了我们从神经科学各个领域了解到的各种连接规则。在重建过程中，我们可以检验旧理论，并希望发现一些前所未见的新事物。”

这些研究结果揭示了新的细胞类型、特征、组织和功能原理，以及一种新的细胞分类方法。其中最令人惊讶的发现之一是发现了大脑内一种新的抑制原理。科学家们此前认为，抑制性细胞（即那些抑制神经活动的细胞）只是一种抑制其他细胞活动的简单力量。

然而，研究人员发现了一种更为复杂的沟通方式：抑制细胞的活动并非随机；相反，它们对目标兴奋性细胞有着高度的选择性，从而形成了一个覆盖整个网络的协调合作系统。一些抑制细胞协同作用，抑制多个兴奋性细胞，而另一些则更为精准，只针对特定类型的细胞。

“从很多方面来说，这都代表着未来，”贝勒医学院和斯坦福大学参与该项目的首席科学家之一 Andreas Tolias 博士解释说。“MICrONS 将成为一个里程碑，我们将在此构建涵盖多个分析层面的大脑基础模型，从行为层面到神经活动的表征层面，甚至到分子层面。”

了解大脑的形态和功能，并能够以前所未有的规模分析神经元之间的详细连接，为研究大脑和智力开辟了新的可能性。这也对阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症和精神分裂症等与神经通讯中断有关的疾病具有重要意义。

“如果你的收音机坏了，而且你有电路图，你就能更好地修理它，”艾伦研究所副研究员努诺·达·科斯塔博士说。“我们正在描绘一种Google地图，或者说是这颗沙粒的蓝图。未来，我们可以用它来比较健康小鼠和疾病模型小鼠的大脑连接。”

MICrONS 项目是来自艾伦研究所、普林斯顿大学、哈佛大学、贝勒医学院、斯坦福大学等许多大学的 150 多名科学家和研究人员的合作成果。

“进行这种大规模、团队规模的科学研究需要大量的合作，”艾伦研究所数据与技术副主任福雷斯特·科尔曼博士说道。“它需要人们拥有远大的梦想，并齐心协力攻克那些显然无法解决的问题，而这正是取得进步的途径。”

此次全球合作得益于美国情报高级研究计划局 (IARPA) 和美国国立卫生研究院的“通过推进创新神经技术进行脑研究计划”（即 BRAIN 计划）的支持。

“BRAIN 计划在汇聚不同学科的科学家开展复杂且具有挑战性的研究方面发挥着至关重要的作用，这些研究无法单独完成，”BRAIN 计划主任 John Ngai 博士说道。“诸如大脑连接方式之类的基础科学构建模块，是我们更好地理解脑损伤和脑疾病，使治疗和治愈方法更接近临床应用的基础。”

绘制出大脑中一粒沙子大小区域的神经元连接、形态和功能图谱，不仅是一项科学奇迹，更是迈向理解思维、情感和意识的神秘起源的一步。弗朗西斯·克里克在1979年首次提出的“不可能”任务，如今距离现实又近了一步。

编译自/ScitechDaily