大腦如無限深遠(yuǎn)的星系，讓人敬畏

4 月 9 日《自然》雜志上的研究文章（匯集艾倫腦科學(xué)研究所(Allen)、貝勒醫(yī)學(xué)院(Baylor)、普林斯頓大學(xué)等 22 個機(jī)構(gòu) 150 名科學(xué)家的十年研究結(jié)晶），描述了科學(xué)家們利用一粒沙子大小的小鼠腦物質(zhì)，創(chuàng)建出第一張精確的哺乳動物大腦三維地圖。

這是人類首次呈現(xiàn)1立方毫米（約一顆沙粒大小）腦物質(zhì)中的 84000 個神經(jīng)元的形式、功能和傳遞。這些神經(jīng)元是信息發(fā)射的機(jī)構(gòu)，稱為軸突，遍布于超過 5 億個神經(jīng)元突觸以及 20萬個腦細(xì)胞。在1立方毫米的組織里容納了5.4 公里長度的神經(jīng)元布線。而這一立方亳米也只代表了老鼠大腦全部體積的 1/500。研究此1立方毫米組織所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)高達(dá) 1.6 PB 的數(shù)據(jù)， 相當(dāng)于1600個1TB硬盤容量，這個數(shù)據(jù)量也等于 22 年不間斷的高清視頻數(shù)據(jù)。

此研究項目稱為皮層網(wǎng)絡(luò)機(jī)器智能 （MICrONS， the Machine Intelligence from Cortical Networks） ，目前已向公眾開放。

研究人員的體會是：當(dāng)觀察這些神經(jīng)元，看到它們的細(xì)節(jié)和規(guī)模，會讓你產(chǎn)生一種敬畏感來欣賞大腦的結(jié)構(gòu)和運行，就像人類抬頭仰望星空，無限深遠(yuǎn)的星系一樣。

為了制作這張地圖，休斯頓貝勒醫(yī)學(xué)院的研究人員將小鼠放在跑步機(jī)上，放映不同的電影，給予視覺刺激，讓其保持清醒。這些電影來自《黑客帝國》、《瘋狂的麥克斯：狂暴之路》、越野摩托車、雪橇和定點跳傘等極限運動，并且以10秒鐘進(jìn)行輪換播放。

使用專門的顯微鏡記錄小鼠1 立方毫米視覺皮層組織在這些場景下幾天內(nèi)的大腦活動——小鼠使用這區(qū)域視頻皮層組織處理它所看到的東西。他們觀測到，在此視覺刺激環(huán)境下，小鼠大腦中一個縱列視覺皮層的所有 1800 個細(xì)胞都出現(xiàn)狀態(tài)變化，卷入了此大腦活動。

然后科研人員小鼠實施安樂死，研究人員將1個立方毫米大腦切成 28000 多層，每層是人類頭發(fā)寬度的 1/400，分割時將每一層圖像拍攝下來，最后合成出完整的圖像，來展示小鼠在外界刺激后，其視覺傳遞到大腦內(nèi)部的信號活動。
新澤西州普林斯頓大學(xué)的一個團(tuán)隊部署了機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能工具，追蹤所有切片的每個神經(jīng)元的輪廓，在分割中為神經(jīng)元著色以便單獨標(biāo)示它們。人工智能生成的信息由參與的科學(xué)家進(jìn)行驗證或校對。這項工作最終以一種統(tǒng)一的模式完成，科學(xué)家們稱其為小鼠大腦“連接體”。顯示了小鼠大腦的各功能部分是如何組織的，并提供了對不同類型細(xì)胞如何協(xié)同工作的理解。

長期以來，以這種方式繪制大腦圖譜一直被認(rèn)為是一項不可能的挑戰(zhàn)，科學(xué)界認(rèn)為永遠(yuǎn)無法達(dá)到對大腦實現(xiàn)如此詳細(xì)的了解。但如今，學(xué)者們已經(jīng)成功將一立方毫米腦組織的精確連系圖及其所有神經(jīng)元的運動，準(zhǔn)確地繪制出來。當(dāng)然此次小鼠大腦“連接體”的成功建立 ，也得于之前在更小生物上的類似成功工作：線蟲秀麗隱桿線蟲的連接體于 2019 年完成，果蠅大腦神經(jīng)元的圖譜則在2024年完成。
研究人員說，一立方毫米的小鼠大腦大約是整個果蠅大腦的 20 倍，而且要復(fù)雜得多。盡管如此，大家的目標(biāo)是能夠接下來三四年內(nèi)繪制出整個小鼠大腦連接體。
然而，以類似的突觸分辨率繪制人腦連接體將是一項極其困難的工作，因為人腦比老鼠大腦大 1500 倍左右，技術(shù)和道德方面都存在極大障礙。

實驗室小鼠已經(jīng)被廣泛用于理解人類疾病，更好地理解小鼠大腦的構(gòu)成和功能，為研究涉及神經(jīng)交流中斷的人類腦部疾病（如阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、自閉癥和精神分裂癥）提供新的可能性。這就像收音機(jī)壞了，但幸運的是你有電路圖，你就有方向去研究修復(fù)它。