作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/9 16:20:32
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研究人员绘制最详细人脑图

 

研究人员绘制了迄今为止最详细的人脑内部连接图。它展示了人脑神经元之间的连接模式,以及什么可能是一种新型神经元。近日,相关论文发布于预印本服务器biorxiv。

这张大脑局部图可以在网上免费获得,其中包括5万个细胞,全部以三维形式呈现。它们由上亿根蜘蛛丝般的卷须连接在一起,形成了1.3亿个突触连接。该数据集有1.4拍字节,大约是普通现代计算机存储容量的700倍。

论文作者之一、美国加州山景城谷歌研究中心的Viren Jain说,该数据集如此之大,以至于研究人员还未能对其进行详细研究。

未参与该研究的哈佛大学的Catherine Dulac说,这是我们第一次看到如此大部分人脑的真实结构。

该研究始于哈佛大学Jeff Lichtman团队从一位患有抗药性癫痫的45岁妇女身上获得的一小片大脑。该患者接受了移除左海马体手术,这是她癫痫发作的源头。手术中,外科医生必须移除覆盖在其海马体上的一些健康脑组织。

Lichtman团队立即将样本浸泡在防腐剂中,然后用像锇这样的重金属进行染色,以便每个细胞的外膜在电子显微镜下都可以看到。然后他们将样本嵌入树脂中使其变硬,进而将其切成大约30纳米厚的薄片(大约是人类头发直径的千分之一),并用电子显微镜对每个薄片进行成像。

此时,Jain团队接手,组装二维切片形成三维模型。他们使用机器学习重建了连接神经元的卷须,并标记了不同的细胞类型。

而所有这些细节展示的只是大脑的一小部分。“我们产生的整个数据集仅代表了一立方毫米大脑,通常是核磁共振扫描中的一个像素。”Jain说。

但对Dulac来说,该数据集是“未来几年的宝贵财富”。她的团队已经借助这些数据在人脑连接方面有了新发现:神经元之间的连接数量有明显差异。正常情况下,当一个神经元卷须靠近另一个神经元时,它只会形成一个突触,或者很少会形成2到4个突触。但也有一些卷须在一个目标神经元上能形成多达20个突触,这意味着这个卷须本身可能会触发那个神经元。

虽然原因尚不清楚,但Lichtman推测,多突触连接是习得行为的基础。

研究小组还在大脑皮层深处发现了以前没有观察到的神秘神经元对。Lichtman说:“两个细胞在同一轴上指向相反方向。”没有人知道为什么。

Jain、Dulac和Lichtman等人在2020年曾以类似的细节水平绘制整个小鼠大脑。“整个鼠脑只有此次样本的1000倍大,1艾字节数据。”Lichtman说。

而要绘制整个人脑图需要1000倍的数据集,即泽字节。Lichtman提到,这相当于全球一年产生的数字内容的总和。

但这样做可能不值得。“我们可能会发现,其中很多是来自经验的编码信息,因此每个大脑都是不同的。”他说,如果不了解信息是如何存储的,这些数据将是无用的。

但有专家认为,一个直接的好处是有助于探索有精神健康问题的人的大脑有何不同,以进一步阐明精神分裂症等疾病是如何发生的。

相关论文信息:https://doi.org/10.1101/2021.05.29.446289

 
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