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谷歌和哈佛大学揭示了有史以来最详细的人脑地图

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美国有线电视新闻网

十年前,哈佛大学分子和细胞生物学教授杰夫·利希特曼博士从他的实验室收到了一小块大脑样本。

虽然很小,但一立方毫米的组织已经足够大了 它包含 57,000 个细胞、230 毫米的血管和 1.5 亿个突触。

“它还不到一粒米,但我们开始切割它并观察它,它真的很漂亮,”他说。 “但当我们收集数据时,我意识到我们的数据远远超出了我们的处理能力。”

最终,Lichtman 和他的团队从样本中获得了 1,400 TB 的数据——这大约是 超过十亿本书的内容。 现在,经过实验室团队和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类大脑样本图。

大脑样本来自一名患有严重癫痫症的患者。 利奇曼说,标准程序是切除一小部分大脑来阻止癫痫发作,然后检查组织以确保其正常。 “但他的身份不明,所以除了他的年龄和性别之外,我对这名患者几乎一无所知,”他说。

为了分析样本,利希特曼和他的团队首先使用钻石刃刀将其切成薄片。 然后将切片嵌入固体树脂中并再次切成非常薄的切片。 “大约 30 纳米,大约是人类头发厚度的千分之一,如果不是我们用重金属对其进行染色,在进行电子成像时它是可见的,那么它几乎是看不见的。”

该团队最终获得了数千个切片,并用特制的胶带将其捕获,从而创建了一种胶片:“如果您为每个部分拍一张照片并将这些照片对齐,您将获得大脑的 3D 片段在微观层面上。”

就在那时,研究人员意识到他们需要数据方面的帮助,因为生成的图像会占用大量的存储空间。

利奇曼知道谷歌正在开发一个地方的数字地图 果蝇大脑于 2019 年发布,拥有适合这项工作的 PC 硬件。 他联系了谷歌从事果蝇项目的高级研究员 Viren Jain。

“(哈佛数据中)有 3 亿张独立的图像,”Jain 说。 “数据之所以如此之多,是因为你在单个突触水平上以非常高的分辨率进行成像。在这个小脑组织样本中,有 1.5 亿个突触。”

为了理解这些图像,科学家们 谷歌使用基于人工智能的处理和分析来确定每张图像中存在的细胞类型以及它们的连接方式。 其结果是脑组织的交互式 3D 模型,以及有史以来以如此分辨率的人脑结构创建的最大数据集。 谷歌已将其在线提供为“神经扫描仪一项研究发表在杂志上 科学 与此同时,利希特曼和简也是共同作者。

了解大脑

哈佛大学和谷歌团队之间的合作产生了彩色图像,使各个组件更加可见,但在其他方面却忠实地代表了组织。

“颜色完全是任意的,”Jain 解释道,“但除此之外,这里没有太多的艺术许可。重点是我们不是在编造它,这些是真正的神经元,真正的接线。在这个大脑中,我们实际上正在让它变得舒适。”它很容易被生物学家观看和研究。”

数据中包含一些令人惊讶的内容。 例如,成对的神经元不是形成单个连接,而是有超过 50 个连接。“这有点像一个街区的两栋房子有 50 条独立的电话线连接它们。 那里发生了什么事? 为什么他们的联系如此紧密? “我们还不知道这种现象的功能或重要性是什么,我们必须进一步研究它,”他说。

利奇曼表示,最终,以这种细节水平观察大脑可以帮助研究人员了解尚未解决的医疗状况。

“了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我们能够获得洞察力,例如,在成人精神病理学或自闭症等发育障碍中,正常大脑与紊乱大脑有何不同。频谱——诸如此类的事情,”他说,“最终,它将让我们深入了解大多数情况下我们仍然一无所知的错误。”

利希特曼还认为,考虑到数据集的规模,该数据集可能充满了其他尚未被发现的令人惊奇的细节:“这就是我们在网上共享它的原因,以便任何人都可以查看它并找到东西。” 他加了。

显示单个神经元(白色)与 5,600 个轴突(蓝色)相连。 建立这些连接的突触以绿色显示。 神经元的细胞体(中央核)宽约 14 微米。

接下来,该项目背后的团队的目标是创建小鼠大脑的完整图谱,这将需要人类大脑样本数据量的 500 到 1,000 倍。

“这意味着 1 艾字节,也就是 1,000 拍字节,”Lichtman 说。 “很多人都在仔细思考如何做到这一点,我们正处于为期五年的原理验证的第一年,我认为这将是神经科学的分水岭时刻,以获得完整的蓝图。哺乳动物大脑的接线;它会回答很多很多问题,当然,它会揭示很多我们意想不到的问题。

绘制整个人类大脑的地图怎么样? Lichtman 解释说,这将再大 1,000 倍,这意味着数据将是相同的 1泽字节。 2016年,这是全年的互联网流量, 据思科称。 利希特曼说,目前不仅难以存储如此大量的数据,而且还没有道德上可接受的方法来获得原始的、保存完好的人类大脑。

未参与这项工作的同一领域的研究人员在接受美国有线电视新闻网(CNN)的置评时表达了热情。

南加州大学凯克医学院生理学和神经科学助理教授 Michael Pinkowski 表示:“这项研究很有趣,从这样的数据中可以学到很多东西。”

宾科斯基说:“我们认为我们对人类大脑的了解大部分都是从动物身上推断出来的,但像这样的研究对于揭示人类真正的本质至关重要。”“由于神经元和其他脑细胞的密度和分布,可视化确实具有挑战性。复杂性,数据集是“当前无法接收远程通信”。

“这些输入来自哪些其他大脑区域,一旦离开该区域,输出会去哪里?”他补充道,“但是看到所有这些不同类型的细胞及其相互作用是令人难以置信的,让你欣赏建筑生命的杰作。”已经给了我们。”

加利福尼亚州斯坦福大学眼科教授安德烈亚斯·托利亚斯(Andreas Tolias)对此表示同意。 “这是一项精彩的技术研究,它高精度地重建了人类皮质的结构,”他说。 “我对能够形成多达 50 个突触的稀有轴突的发现感到特别兴奋,这一发现很有趣,并提出了关于它们的计算作用的重要问题。

该图以不同程度的放大和倾斜显示了大脑样本一部分中的所有兴奋性(锥体)神经元。 它们根据尺寸着色。 细胞的细胞体(中央核)宽度为15至30微米。

神经科学家奥拉夫·斯波恩斯表示,大脑绘图项目为未来的研究打开了大门。

“每个人的大脑都是一个由数十亿个神经元组成的巨大网络,”印第安纳大学心理学和脑科学杰出教授斯波恩斯说。 他补充说:“这个网络允许细胞以非常特定的模式进行通信,这对记忆、思维和行为至关重要。绘制这个网络,即人类神经网络,对于了解大脑的工作原理至关重要。”他指出,这项研究开启了新的大门。实现这一重要目标的视野,为探索和发现提供了令人兴奋的新机会。

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