科學(xué)家們讓一只小老鼠觀看《黑客帝國》和《星球大戰(zhàn)》片段，同時記錄其大腦活動，成功繪制出有史以來最大、最精細、而且是與真實大腦活動相關(guān)聯(lián)的“活”大腦地圖！這項重大突破性研究4月9日發(fā)表在《自然》雜志，首次將大腦結(jié)構(gòu)和功能融為一體，為人類“讀懂大腦”這一終極目標邁出了里程碑式的一步！
大腦：宇宙中最復(fù)雜的“服務(wù)器”？
我們都知道，大腦是人體最復(fù)雜、最神秘的器官。它就像一臺超級生物計算機，里面擠滿了密密麻麻的“處理器”（神經(jīng)元細胞），數(shù)量動輒百億；連接這些處理器的“線路”（神經(jīng)纖維）更是數(shù)以萬億計，形成了一個比互聯(lián)網(wǎng)還要復(fù)雜無數(shù)倍的網(wǎng)絡(luò)?？茖W(xué)家們一直夢想著能徹底搞清楚這個網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造，也就是繪制出所謂的“連接組”（Connectome）。
但這太難了！你可以想象一下，要在一座擁有百億居民、萬億條道路的超級城市里，不僅畫出每一棟建筑、每一條小巷，還要弄清楚每一條路在某個特定時刻的車流量——這就是繪制大腦連接組，尤其是“功能性”連接組的難度。過去的技術(shù)，要么只能看到模糊的“街區(qū)”，要么只能追蹤幾條“道路”，想看清全貌并知道“路況”，簡直是天方夜譚。
讓老鼠看大片：瘋狂實驗背后的天才設(shè)計
那么，美國普林斯頓大學(xué)等機構(gòu)組成的龐大MICRONS 團隊是如何攻克這個難題的呢？他們設(shè)計了一套堪稱“腦洞大開”的流程：
選角：會發(fā)光的“影迷”小鼠
他們首先請出了一位特殊的“演員”——一只經(jīng)過基因改造的小老鼠。這位“鼠主角”的特殊之處在于，它大腦里的興奮性神經(jīng)元細胞被植入了一種“指示劑”，當神經(jīng)元活躍起來（比如思考、看東西時），鈣離子涌入細胞，這種指示劑就會發(fā)出熒光！就像給每個活躍的腦細胞裝上了一個微型信號燈。
開拍：“腦內(nèi)直播”看大片
然后就是“觀影”環(huán)節(jié)了?？茖W(xué)家讓這只小鼠觀看各種視頻片段，包括《瘋狂的麥克斯》、《黑客帝國》、《星球大戰(zhàn)》等電影場景和一些特殊設(shè)計的圖案。這時小鼠大腦視覺皮層中負責處理這些畫面的神經(jīng)元就會興奮起來，發(fā)出熒光?？茖W(xué)家們則使用一種叫做“雙光子顯微鏡”的“攝像機”，實時捕捉這些熒光信號。這就好比是一場“腦內(nèi)直播”，科學(xué)家能直接看到小鼠大腦在處理特定視覺信息時，是哪些神經(jīng)元在“亮燈”。他們成功記錄下了大約 7.5 萬個神經(jīng)元的“亮燈”情況。
解剖：深入內(nèi)部繪制“線路圖”
但光知道哪些燈亮了還不夠，科學(xué)家還需要知道這些燈之間是怎么連接的。于是，在“觀影”結(jié)束后，科學(xué)家小心翼翼地取出了小鼠大腦中被重點“直播”的那一小塊區(qū)域——大約只有一粒沙子那么大（1 立方毫米）。別小看這一立方毫米，里面的神經(jīng)“線路”總長度能達到幾公里！接下來，他們動用了“終極武器”——5臺電子顯微鏡。這種顯微鏡的分辨率極高，能看清納米級別的細節(jié)。他們把這塊腦組織切成了近 2.8 萬片比頭發(fā)絲還細得多的超薄切片，然后用電鏡一張一張地拍照，24小時不間斷工作，獲得了海量的超高清圖像數(shù)據(jù)（高達 2Pb），時間長達6個月。
AI 出馬：超級“地圖繪制師”
面對堆積如山的圖像數(shù)據(jù)，光靠人力去分析是不可能的。這時，人工智能（AI）閃亮登場?？茖W(xué)家們訓(xùn)練了一個強大的機器學(xué)習(xí)算法，讓它像一個孜孜不倦的“地圖繪制師”，在數(shù)百萬張電鏡照片中自動追蹤每一個神經(jīng)元的輪廓，識別出它們的樹突（輸入端）和軸突（輸出端），并精準地標記出神經(jīng)元之間傳遞信號的關(guān)鍵節(jié)點——突觸。最終，AI 繪制出了一張包含超過 20 萬個細胞（神經(jīng)元和支持細胞）和驚人的 5 億多個突觸連接的 3D 高清地圖！
合二為一：“活地圖”誕生！
最后一步，也是最關(guān)鍵的一步：科學(xué)家們利用復(fù)雜的算法，將之前“腦內(nèi)直播”記錄下的功能數(shù)據(jù)（哪些神經(jīng)元在看電影時亮了燈），與 AI 繪制的結(jié)構(gòu)地圖（神經(jīng)元的精確連接）完美地對應(yīng)起來。這樣一來，他們不僅知道了神經(jīng)元是如何連接的，還知道了這些連接在執(zhí)行具體任務(wù)（比如看尼奧躲子彈）時是如何工作的，一張真正意義上的、規(guī)模空前的“功能性連接組”——大腦“活地圖”就此誕生！
這張地圖告訴了我們什么秘密？
有了這張前所未有的高清“活地圖”，科學(xué)家們挖到了一些“寶藏”：
“近朱者赤”的長效版：中國有句老話叫“物以類聚，人以群分”，大腦里也有類似法則——"一起放電的神經(jīng)元會共同連接"。這張地圖證實，這個法則不僅在鄰近的神經(jīng)元之間有效，即使隔著一段距離（在毫米尺度內(nèi)），功能相似（比如對同一類視覺信息反應(yīng)強烈）的神經(jīng)元也更傾向于“拉幫結(jié)派”，互相連接。
“剎車系統(tǒng)”的精準打擊： 大腦里不僅有負責興奮的神經(jīng)元，還有負責“踩剎車”的抑制性神經(jīng)元。過去我們不太清楚這些“剎車”是廣泛影響周圍一片，還是有特定目標。新地圖顯示，抑制性神經(jīng)元非?！爸v究”，它們會進行精準打擊，甚至可以從不同地方出發(fā)，匯聚到同一個遙遠的目標細胞上，進行精確調(diào)控。就像一群訓(xùn)練有素的狙擊手，而不是亂開槍的士兵。
看“朋友圈”識細胞： 有時候，單看一個神經(jīng)元長什么樣，很難判斷它的具體“工種”。但通過分析它的“社交網(wǎng)絡(luò)”——它和誰連接，連接方式如何——科學(xué)家們能夠更準確地推斷出它的身份和功能。
開放寶藏，人人可挖： 最重要的是，這個龐大的數(shù)據(jù)集連同分析工具將一起被公開，全世界的科學(xué)家都可以免費使用這些數(shù)據(jù)進行探索，有望催生更多突破性的發(fā)現(xiàn)。
“活地圖”也有“待完善區(qū)域”
當然，即便是這樣一項突破性的研究，也并非完美無缺?？茖W(xué)家們也坦誠地指出了目前的局限：
地圖仍有“盲區(qū)”： 這張地圖雖然細節(jié)驚人，但并非 100% 完整。由于技術(shù)的限制，仍有一些細胞或連接未能被完全重建，地圖上還存在一些“孤兒線路”，不知道起點或終點在哪。
AI 還需“人工導(dǎo)航”： 雖然 AI 幫了大忙，但它繪制的地圖仍需要大量的人工校對來修正錯誤，總共有100多名校對者投入了數(shù)十萬小時，進行了超過100萬次手動修正！
冰山一角： 這次繪制的只是小鼠大腦視覺皮層中極小的一部分（1 立方毫米）。要繪制整個小鼠大腦，乃至更復(fù)雜的人類大腦，還有很長的路要走。
這項研究成功地將大腦的結(jié)構(gòu)與功能以前所未有的精度和規(guī)模聯(lián)系起來，為我們理解大腦如何處理信息、產(chǎn)生感知和思想打開了一扇全新的窗戶。雖然前路依然充滿挑戰(zhàn)，但這幅大腦“活地圖”無疑是我們探索智慧奧秘征程中的一個重要里程碑，未來有望幫助我們攻克阿爾茨海默病、多發(fā)性硬化癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至啟發(fā)新一代人工智能的發(fā)展。
而這一切，都始于一只觀看《黑客帝國》和《星球大戰(zhàn)》的小老鼠，科學(xué)家們是不是該給它立一個碑了？
參考文獻：
The MICrONS Consortium. Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex. Nature 640, 435–447 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08790-w
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