谷歌和哈佛公布了有史以来最详细的人脑地图 雅格布·普里斯科 CNN记者雅格布·普里斯科报道 6分钟阅读 发布于美国东部时间2024年5月15日星期三下午3:23
这张图片显示了一个人类神经元（白色）和与其相连的其他神经元的所有轴突。蓝色线是抑制性轴突，而绿色线是兴奋性轴突。神经元是神经系统的细胞组成部分。谷歌研究和李奇曼实验室/哈佛大学 注册美国有线电视新闻网的奇迹理论科学通讯。探索宇宙，了解有趣的发现、科学进步等新闻。 美国有线电视新闻网 — 10年前，哈佛大学分子和细胞生物学教授杰夫·李奇曼博士在他的实验室里收到了一小块大脑样本。 虽然很小，但1立方毫米的组织足以包含57，000个细胞、230毫米的血管和1.5亿个突触。 他说:“它还不到一粒米，但我们开始切开它看一看，它真的很美。”“但当我们积累数据时，我意识到我们已经远远超出了我们的处理能力。” 最终，李奇曼和他的团队从样本中获得了1400万亿字节的数据——大约相当于10亿多本书的内容。现在，经过实验室团队与谷歌科学家十年的密切合作，这些数据已经变成了有史以来最详细的人脑样本地图。 3亿张图片 大脑样本来自一名患有严重癫痫的患者。李奇曼说，这是标准程序，切除一小部分大脑来阻止癫痫发作，然后观察组织以确保正常。“但这是匿名的，所以我对病人几乎一无所知，除了他们的年龄和性别，”他说。 为了分析样本，李奇曼和他的团队首先用一把刀刃由钻石制成的刀将其切成薄片。然后将切片嵌入硬树脂中，再切成非常薄的薄片。“大约30纳米，或者大约是人类头发厚度的1000分之一。他们实际上是看不见的，如果不是因为我们用重金属对他们进行了染色，这使得他们在进行电子成像时是可见的，”他说。 该团队最终获得了数千个切片，这些切片用定制的胶带收集起来，形成了一种电影胶片:“如果你给这些切片中的每一个都拍一张照片，并将这些照片对齐，你就会得到一个微观层面的三维大脑。”
上面的3D图像显示了兴奋性神经元根据其距离大脑表面的深度而着色。蓝色神经元是最接近表面的神经元，紫红色标记最内层。谷歌研究和李奇曼实验室/哈佛大学 这时研究人员意识到他们需要数据方面的帮助，因为生成的图像将占用大量存储空间。 李奇曼知道谷歌正在制作果蝇大脑的数字地图，于2019年发布，并拥有适合这项工作的计算机硬件。他与谷歌从事果蝇项目的高级研究科学家维伦·贾恩取得了联系。 贾恩说:“（哈佛大学的数据中）有3亿张独立的图像。“之所以有这么多数据，是因为你在以非常高的分辨率成像，这是单个突触的水平。仅仅在这一小块脑组织样本中就有1.5亿个突触。” 为了理解这些图像，谷歌的科学家们使用了基于人工智能的处理和分析，确定了每张照片中的细胞类型以及它们是如何连接的。结果是一个交互式的脑组织3D模型，这是迄今为止人类大脑结构分辨率下最大的数据集。谷歌将其作为“Neuroglancer”在网上发布，同时在《科学》杂志上发表了一项研究，Lichtman和Jain是合著者之一。
理解大脑 哈佛大学和谷歌团队的合作产生了彩色图像，使各个组成部分更加可见，但它们是组织的真实代表。 “颜色完全是随意的，”贾恩解释说，“但除此之外，这里没有太多的艺术许可。这一切的要点是，我们没有编造——这些是真正的神经元，存在于这个大脑中的真正的电线，我们只是让生物学家可以方便地观察和研究。” 这些数据包含了一些惊喜。例如，不是形成单一连接，而是成对的神经元有超过50个。“这有点像一个街区的两栋房子有50条独立的电话线连接在一起。那里发生了什么事？为什么它们联系如此紧密？我们还不知道这种现象的功能或意义是什么，我们将不得不进一步研究它，”他说。 根据李奇曼的说法，最终，在这种细节水平上观察大脑可以帮助研究人员理解未解决的医学问题。 “理解我们的大脑意味着什么？我们能做的最好的事情就是描述它，并希望从这些描述中获得一种认识，例如，关于正常大脑与紊乱大脑的不同，在成人精神疾病或自闭症谱系等发育障碍中，这种比较将非常有价值，”他说。“最终，它会让我们对问题有所了解，在大多数情况下，我们仍然一无所知。” Lichtman还认为，该数据集可能充满了其他惊人的细节，由于其规模，还没有被发现:“这就是为什么我们在网上分享它，所以任何人都可以查看它并找到东西，”他补充说。
单个神经元(白色)显示有5600个轴突(蓝色)与之相连。进行这些连接的突触以绿色显示。神经元的胞体(中央核心)直径约为14微米。谷歌研究和李奇曼实验室/哈佛大学 接下来，该项目背后的团队旨在创建一张老鼠大脑的完整地图，这将需要人类大脑样本数据量的500至1000倍。 “这将意味着1eb，也就是1,000，”Lichtman说。“许多人都在努力思考我们将如何做到这一点，我们正处于五年原则验证的第一年。我认为这将是神经科学的一个分水岭，拥有一个完整的哺乳动物大脑的接线图；它会回答很多很多问题。当然，它会揭示更多的问题，一些我们没有预料到的事情。” 绘制整个人类大脑的地图怎么样？李奇曼解释说，这将是另一个1000倍，这意味着数据将达到1泽字节。根据思科的数据，2016年，这是全年互联网流量的规模。李奇曼说，目前，不仅很难存储这么多数据，而且也没有伦理上可接受的方法来获取原始的、保存完好的人脑。
开辟新天地 同一领域中没有参与这项工作的研究人员在接受CNN采访时表达了他们的热情。 “这项研究很棒，从这样的数据中可以学到很多东西，”南加州大学凯克医学院生理学和神经科学助理教授迈克尔·比恩科夫斯基说。 “我们认为我们对人脑的了解大部分是从动物身上推断出来的，但像这样的研究对于揭示什么真正使我们成为人类至关重要。Bienkowski说:“由于神经元和其他脑细胞的密度和复杂性，可视化神经元和其他脑细胞确实具有挑战性，而且当前的数据集没有捕捉到更长期的联系。” “这些输入来自大脑的哪些其他区域，一旦输出离开该区域，它们会去哪里？但是看到所有这些不同的细胞类型和它们的相互作用是令人难以置信的，让你欣赏建筑生活给我们带来的杰作，”他补充说。 加州斯坦福大学眼科教授安德烈亚斯·托利亚斯表示同意。“这是一项了不起的技术研究，以高分辨率重建了人类大脑皮层的结构，”他说。“我对能够形成多达50个突触的罕见轴突的发现感到特别兴奋。这一发现非常有趣，并提出了关于它们的计算角色的重要问题。”
一幅渲染图以不同程度的放大和倾斜显示了大脑样本的一部分中的所有兴奋性(锥体)神经元。它们是按大小着色的；细胞的胞体(中央核心)直径为15至30微米。d .伯杰/哈佛大学 根据神经科学家奥拉夫·斯博恩斯的说法，脑成像项目为未来的研究打开了大门。 “每个人的大脑都是由数十亿个神经细胞组成的巨大网络，”印第安纳大学心理学和脑科学杰出教授斯博恩斯说。“这个网络允许细胞以非常特定的模式进行交流，这些模式是记忆、思维和行为的基础。绘制这个网络，即人类连接体，对于弄清楚大脑如何工作至关重要，”他补充说，并指出这项研究为这一重要目标开辟了新的领域，并为探索和发现提供了令人兴奋的新机会。
