1立方毫米小鼠脑组织切成25000层，史上最强“大脑连接图谱”绘出

1979年，曾获诺贝尔生理学或医学奖的分子生物学家弗朗西斯·克里克断言，精确解析一立方毫米大脑组织连接图谱是不可能完成的任务。四十多年后，全球科学家团队历经七年努力，正逐步让克里克的“不可能”成为“可能”。

据新华社报道，英国《自然》和《自然-方法》杂志4月9日发表的一组论文显示，科研人员通过描绘小鼠脑组织中1立方毫米内的细胞图谱，绘制出迄今最大、最详细的哺乳动物大脑连接图谱，包含20多万个细胞（其中有约8.2万个是神经元）、4公里长的轴突（延伸至其他细胞的分支）以及5.23亿个突触（细胞间的连接点）。

这个项目的难度到底有多大？对人类而言有着怎样的意义？近日，红星新闻记者采访了参与该研究项目的神经科学家、美国艾伦研究所（Allen Institute）副研究员努诺·马萨里科·达科斯塔博士。他说，“我们现在相当于是在描绘一粒沙子的地图。”该研究对未来理解涉及神经通信障碍的阿尔茨海默病、帕金森病等病症具有启示意义。

▲艾伦研究所副研究员努诺·马萨里科·达科斯塔博士（资料图） 图据艾伦研究所

小鼠神经元，“看起来好似星云图般绚烂”

据悉，这项来自由150余名神经科学家参与的“大脑皮层网络机器智能”（MICrONS）项目，也被称为“史上最全面的将哺乳动物脑结构与神经活动联系起来的数据集”。

达科斯塔将大脑连接图谱比作地图，“这相当于是将数据集的某个特定部分进行放大，从毫米级放大到10纳米级（1毫米=100万纳米），可以放大10万倍。”达科斯塔称，这就相当于我们可以将地图放大至能看到约100米宽的某个地方。

据新华社介绍，大脑是由包括神经元在内的细胞构成的细胞网络，神经元受到刺激后被激活，并通过突触连接。为了深入了解哺乳动物的大脑回路，来自美国贝勒医学院的科学家先用专门的显微镜，记录下了小鼠在观看不同电影片段和视频时，视觉皮层1立方毫米区域中约7.6万个神经元的放电情况。

此后，来自艾伦研究所的研究人员取下这1立方毫米的大脑组织，将其切到超过25000层，每层厚度仅为人类发丝的1/400，并使用一系列电子显微镜对每层大脑拍摄高分辨率照片。

▲小鼠1立方毫米脑组织中小部分神经元渲染图 图据艾伦研究所

达科斯塔说，自己和团队昼夜轮班了12天12夜做这项工作。他解释说，其实切割和成像过程主要依靠机器。“尽管机器能拍下高分辨率图像，但我们需要全程盯着。”达科斯塔告诉红星新闻，自己和团队共要收集超9500万张图像，“整个过程不容有误。我们要确保过程不间断、样本不受损。”

最后，来自普林斯顿大学的另一个团队利用人工智能和机器学习算法，对神经元及其分支投射和突触进行标注，将这些细胞和连接重建为三维图像。按照艾伦脑研究所数据和技术副主任福雷斯特·科尔曼博士在该研究所发布的视频中所描述，这展现出了大脑的美感，看起来好似星云图般绚烂。

新研究对理解阿尔茨海默病等有启示意义

值得一提的是，这1立方毫米的组织其实只占小鼠大脑的五百分之一，但产出的连接图谱及数据量却达1.6拍字节，相当于22年不间断录制的高清视频所产生的数据量总和，为人们提供了前所未有的关于大脑功能和视觉系统组织结构的知识。

艾伦研究所在一份声明中称，通过这项研究，研究人员还发现大脑中存在一种新的抑制原理。据科技日报介绍，以往科学家认为，抑制性细胞仅单纯抑制其他细胞活动。“但现在有非常明显的证据表明，抑制性细胞并非随机连接到旁边细胞，其还具有非常强的选择性。”达科斯塔说道。研究团队发现，抑制性细胞会针对兴奋性细胞进行高度选择性的交流，形成协调合作系统，有的会协同抑制多个兴奋性细胞，有的则更精准，只针对特定细胞。

声明还指出，新研究结果为研究大脑提供了新的可能性，还对理解涉及神经通信障碍的阿尔茨海默病、帕金森病等病症具有启示意义。达科斯塔解释说，要想知道某个东西是如何受损的，首先就要了解它的工作原理，比如，如果你的收音机坏了，在有电路图的情况下，你就能更好地修好它。

▲工作中的努诺·马萨里科·达科斯塔博士（资料图） 图据艾伦研究所

“过去科研人员研发的大多数药物针对的都是非常特定的分子。毕竟你无法治疗一个你不了解的疾病。”达科斯塔称，将来人们还可以利用此来比较健康小鼠和患病小鼠的大脑连接方式。

达科斯塔说，接下来团队将尝试绘制小鼠全脑连接图谱的可行性，“我们需要克服样本制备、成像、成本等方面的挑战。目前我们计划在四年内证明这一目标的可行性。”

红星新闻记者 黎谨睿

编辑 包程立 责编 官莉