谷歌绘制了有史以来最详细的人脑图

由 迈克尔·马歇尔

谷歌帮助创建了迄今为止最详细的人脑连接图。它揭示了数量惊人的细节，包括神经元之间的连接模式，以及可能是一种新型神经元。

在脑图，这是在线免费提供，包括50,000个细胞，在三维渲染所有。它们由数亿条蜘蛛状卷须连接在一起，形成 1.3 亿个称为突触的连接。该数据集大小为 1.4 PB，大约是现代计算机平均存储容量的 700 倍。

加利福尼亚州山景城谷歌研究中心的Viren Jain说，数据集太大，研究人员没有对其进行详细研究。他将其与人类基因组进行了比较，在第一稿发表 20 年后，人类基因组仍在探索中。

哈佛大学的凯瑟琳·杜拉克( Catherine Dulac ) 没有参与这项工作，她说，这是我们第一次看到如此大的人脑的真实结构。“有一些东西只是有点情绪化。”

这项艰巨的任务始于同样来自哈佛大学的杰夫·利希特曼( Jeff Lichtman)领导的团队，从一名患有抗药性癫痫症的 45 岁女性身上获得了一小块大脑。她接受了手术，从大脑中切除了导致癫痫发作的左侧海马体。要做到这一点，外科医生必须移除一些覆盖海马体的健康脑组织。

Lichtman 和他的团队立即将样品浸入防腐剂中，然后用锇等重金属对其进行染色，因此在电子显微镜下可以看到每个细胞的外膜。然后他们将其嵌入树脂中以使其变硬。最后，他们将其切成约 30 纳米厚的切片，大约是人类头发宽度的千分之一，并使用电子显微镜对每个切片进行成像。

在这一点上，Jain 在谷歌的团队接手，将二维切片——Jain 称之为“大脑的熟食切片机方法”——形成一个 3D 体积。他们使用机器学习来重建将一个神经元连接到另一个神经元的卷须，并标记不同的细胞类型。

所有这些细节只是大脑的一小部分。Jain 表示，通过功能磁共振成像 (fMRI) 扫描可以最好地理解其规模，该扫描用于显示不同大脑区域的活动。“我们生成的整个数据集是立方毫米，通常是 MRI 扫描中的一个像素，”他说。“揭开 MRI 一个像素引擎盖下的所有东西很有趣。”

对于 Dulac 来说，该数据集是“未来几年的好东西”。该团队已经对我们的大脑如何连接有了新的发现：例如，神经元之间的连接数量存在明显差异。

通常，当一个神经元的卷须靠近另一个神经元时，它只会形成一个突触，或者更罕见地形成两到四个。但也有一些卷须在一个目标神经元上形成多达 20 个突触，这意味着这个卷须本身可能能够触发该神经元发射。

原因尚不清楚，但 Lichtman 推测多突触连接是学习行为的基础。他说：“你的大脑通过认知、思考、困惑并做出决定来做很多事情，而你自动做的很多事情不可能是遗传的，”他说，比如当你看到红灯时刹车. 超强连接将允许消息快速通过网络。

该团队还在皮层深处发现了以前从未观察到的神秘神经元对。“这两个细胞在同一轴上指向完全相反的方向，”Lichtman 说。没有人知道为什么。

自 1980 年代首次突破以来，大脑图谱或连接组学已经取得了长足的进步，当时研究人员绘制了一种叫做秀丽隐杆线虫的蠕虫神经系统中的 302 个神经元。Jain、Dulac 和 Lichtman 所在的小组在 2020 年主张以类似的细节水平绘制整个小鼠大脑。

Lichtman 说：“整个老鼠的大脑只比这大 1000 倍，是 EB 而不是 PB。” “我怀疑，我们可能能够在十年内做到这一点。” Dulac 想看看皮层如何与大脑的其他部分联系起来，绘制小鼠大脑图可以揭示这一点。

绘制整个人类大脑的地图需要一个再大 1000 倍的数据集，即泽字节，Lichtman 称其“与地球一年内产生的数字内容量相当”。

但这样做可能不值得。“我们可能会发现其中很多是通过经验输入的编码信息，因此每个大脑都会与其他大脑不同，”他说。他说，如果不了解信息是如何存储的，数据就会变得乱七八糟。

Dulac 说，一个更直接的好处是探索细胞图在有心理健康状况的人中有何不同。她说：“可以对患有某些精神疾病的患者进行类似的研究，”以进一步了解精神分裂症等疾病的表现。

期刊参考：bioRxiv，DOI：10.1101/2021.05.29.446289

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