谷歌和哈佛大学公布迄今为止最详细的人类大脑图谱

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十年前，哈佛大学分子与细胞生物学教授杰夫·利希特曼博士在他的实验室中收到了一个小大脑样本。

尽管很小，但 1立方毫米的组织足以容纳57,000个细胞、230 毫米的血管和 1.5 亿个突触。

“它比一粒米还小，但我们开始切开它，观察它，它真的很漂亮。但随着我们积累数据，我意识到我们拥有的数据远远超出了我们能够处理的范围。”

最终，利希特曼和他的团队从样本中获得了 1,400 TB 的数据——大约相当于 10 亿本书的内容。现在，经过实验室团队与谷歌科学家十年的密切合作，这些数据已经成为有史以来最详细的人类大脑样本图谱。

3 亿张图片

大脑样本来自一名患有严重癫痫的患者。利希特曼说，这是标准程序，即切除一小部分大脑以阻止癫痫发作，然后检查组织以确保其正常。“但样本是匿名的，所以除了年龄和性别外，我对患者几乎一无所知，”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，再切成薄片，非常薄。“大约 30 纳米，或大约是人类头发厚度的千分之一。它们几乎是看不见的，如果不是因为我们用重金属染色，这使得它们在进行电子成像时可见，”他说。

研究团队最终得到了几千张大脑切片，并用特制的胶带将它们粘贴起来，形成了一种胶片：“如果你给每一部分都拍照，然后将这些照片对齐，你就会得到微观层面的大脑三维图像。”

上面的 3D 图像显示了兴奋性神经元，这些神经元的颜色取决于它们距离大脑表面的深度。蓝色神经元是最靠近大脑表面的神经元，而紫红色神经元是最内层神经元。 

谷歌研究 & Lichtman 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。

利希特曼知道谷歌正在研究果蝇大脑的数字地图，该地图于 2019 年发布，并且拥有适合这项工作的计算机硬件。他联系了谷歌高级研究员维伦·贾恩，后者正在从事果蝇项目。

“哈佛的数据中有 3 亿张独立图像，”贾恩说。“之所以数据量如此之大，是因为成像分辨率非常高，达到单个突触的水平。仅在那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，谷歌的科学家使用了基于人工智能的处理和分析，确定了每张图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，也是迄今为止以这种分辨率制作的人类大脑结构的最大数据集。谷歌将其以“ Neuroglancer ”的名称在线发布，一项研究同时发表在《科学》杂志上，利希特曼和贾恩是合著者之一。

了解大脑

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清晰可见，但它们同时也真实地反映了组织。

“颜色完全是任意的，”贾恩解释道，“但除此之外，这里没有太多的艺术自由。关键在于我们不是虚构的——这些是大脑中存在的真正神经元、真正线路，我们只是让生物学家能够方便地观察和研究它们。”

数据中有一些令人惊讶的地方。例如，神经元对不是形成单一连接，而是有超过 50 个连接。“这有点像如果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？为什么它们如此紧密地联系在一起？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。

利希特曼表示，最终，以这种细节层面观察大脑可以帮助研究人员理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，并希望通过这些描述能够认识到，例如，正常大脑与成人精神疾病或自闭症谱系等发育障碍中的大脑有何不同——这种比较将非常有价值，”

“最终，它将让我们了解哪里出了问题，而在大多数情况下，我们对此仍然一无所知。”

利希特曼还认为，该数据集可能还充满了其他令人惊叹的细节，由于其规模，这些细节尚未被发现：“这就是我们在网上分享它的原因，这样任何人都可以看到它并发现一些东西，”他补充道。

图中所示的单个神经元（白色）有 5,600 个轴突（蓝色）与其相连。建立这些连接的突触以绿色显示。神经元的细胞体（中央核心）宽约 14 微米。 

谷歌研究 & Lichtman 实验室/哈佛大学

接下来，该项目团队的目标是绘制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 EB，也就是 1,000 PB，”利希特曼说道。“很多人都在认真思考如何实现这一点，而我们正处于为期五年的原理验证的第一年。我认为这将成为神经科学的分水岭，因为我们拥有完整的哺乳动物大脑接线图；它将解答很多很多问题。当然，它还会揭示更多问题，一些我们未曾预料到的问题。”

那么绘制整个人脑图谱呢？利希特曼解释说，那将是另外 1,000 倍，这意味着数据量将达到1ZB。这相当于2016年整个互联网的流量。

目前，不仅存储这么多数据很困难，而且从伦理道德上来说，也没有可接受的方式来获取原始、保存完好的人类大脑。

开辟新天地

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 (Michael Bienkowski) 表示：“这项研究非常精彩，从这样的数据中我们可以学到很多东西。”

“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的真正本质至关重要。由于神经元和其他脑细胞的密度和复杂性，可视化它们确实具有挑战性，而且当前的数据集无法捕捉到长距离连接，”比恩科夫斯基 说。

“这些输入来自大脑的哪些其他区域？输出离开该区域后会去哪里？但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，让你欣赏生命给予我们的建筑杰作，”他补充道。

加州斯坦福大学眼科学教授安德烈亚斯·托利亚斯 (Andreas Tolias) 对此表示赞同。“这是一项了不起的技术研究，它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 个突触的稀有轴突的发现特别兴奋。这一发现很有趣，并提出了有关其计算作用的重要问题。”

渲染图显示了大脑样本中所有兴奋性（锥体）神经元，放大倍数和倾斜度各不相同。它们按大小着色；细胞的细胞体（中央核心）直径范围为 15 至 30 微米。 

D. Berger/哈佛大学

神经科学家奥拉夫·斯波恩斯表示，大脑映射项目为未来的研究打开了大门。

印第安纳大学心理与脑科学杰出教授斯波恩斯表示：“每个人的大脑都是由数十亿个神经细胞组成的庞大网络。这个网络允许细胞以非常特殊的模式进行交流，这些模式对于记忆、思维和行为至关重要。绘制这个网络，即人类连接组，对于弄清大脑的工作原理至关重要。”

他补充说，这项研究为实现这一重要目标开辟了新局面，并为探索和发现提供了令人兴奋的新机会。

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