一個由 150 多名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了曾經(jīng)看似不可能完成的任務(wù)：繪制出哺乳動物大腦一小部分的完整連接和活動圖。這項(xiàng)創(chuàng)舉是MICrONS項(xiàng)目的一部分，其雄心和規(guī)?？氨热祟惢蚪M計(jì)劃，利用尖端人工智能、顯微鏡技術(shù)和團(tuán)隊(duì)合作，繪制了超過20萬個腦細(xì)胞和數(shù)百萬個突觸的圖譜。
研究人員發(fā)現(xiàn)了眾多新發(fā)現(xiàn)，揭示了抑制性神經(jīng)元如何選擇性地影響其他神經(jīng)元，從而深入了解了思維、記憶以及阿爾茨海默病等疾病是如何從細(xì)胞相互作用中產(chǎn)生的。這項(xiàng)成就開啟了腦科學(xué)和醫(yī)學(xué)突破的新紀(jì)元。
科學(xué)家們從一小塊不及一粒沙子大小的腦組織中，實(shí)現(xiàn)了曾經(jīng)看似不可能的事情：繪制出大腦各部分詳細(xì)的功能性連接圖。1979年，分子生物學(xué)家弗朗西斯·克里克曾預(yù)言：“不可能繪制出一立方毫米腦組織的精確連接圖，以及其中所有神經(jīng)元的放電方式?！?但如今，經(jīng)過七年的努力，來自世界各地的150多位科學(xué)家和研究人員，讓這一愿景更接近現(xiàn)實(shí)。
這幅圖展示了 MICRONS 項(xiàng)目重建的 12 萬個腦細(xì)胞（神經(jīng)元 + 神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞）中超過 1000 個的子集。每個重建的神經(jīng)元都呈現(xiàn)出不同的隨機(jī)顏色。圖中發(fā)光的神經(jīng)元是有顏色的。圖片來源：Forrest Collman/Allen 研究所
“皮層網(wǎng)絡(luò)機(jī)器智能”（MICrONS）項(xiàng)目繪制出了迄今為止最詳細(xì)的哺乳動物大腦連接圖。該成果于4月9日在《自然》系列期刊上發(fā)表的十篇科學(xué)論文中分享，為理解大腦的結(jié)構(gòu)和功能，尤其是在視覺系統(tǒng)方面，提供了前所未有的見解。該數(shù)據(jù)集可通過MICrONS Explorer獲取，總計(jì)1.6PB，大約相當(dāng)于22年的連續(xù)高清視頻。
“ 《自然》雜志特刊上發(fā)表的 MICrONS 進(jìn)展是神經(jīng)科學(xué)的一個分水嶺，其變革潛力堪比人類基因組計(jì)劃，”協(xié)調(diào)這項(xiàng)工作的前 IARPA 項(xiàng)目經(jīng)理 David A. Markowitz 博士說。
IARPA 對 MICrONS 項(xiàng)目的“登月”式投資打破了先前的技術(shù)限制，創(chuàng)建了第一個能夠研究神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系的平臺，其規(guī)模足以理解智力。這一成就驗(yàn)證了我們專注的研究方法，并為未來擴(kuò)展到全腦層面奠定了基礎(chǔ)。
貝勒醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家們首先使用專門的顯微鏡，記錄了小鼠在觀看各種電影和YouTube視頻時，其視覺皮層一立方毫米區(qū)域的腦活動。之后，艾倫研究所的研究人員將同樣大小的腦組織切片，切成超過25000層，每層厚度僅為人類頭發(fā)絲的1/400，并使用一系列電子顯微鏡對每層切片進(jìn)行高分辨率拍照。最后，普林斯頓大學(xué)的另一個團(tuán)隊(duì)利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將細(xì)胞和連接重建為3D模型。
結(jié)合大腦活動記錄，結(jié)果是迄今為止最大的大腦接線圖和功能圖，包含超過 200，000 個細(xì)胞、四公里長的軸突（延伸到其他細(xì)胞的分支）和 5.23 億個突觸（細(xì)胞之間的連接點(diǎn)）。
“在那微小的斑點(diǎn)內(nèi)部，隱藏著一整套結(jié)構(gòu)，如同一片精致的森林，”資深研究員、電子顯微鏡連接組學(xué)早期奠基人之一、醫(yī)學(xué)博士、哲學(xué)博士Clay Reid說道，他于13年前將這一科學(xué)領(lǐng)域引入了艾倫研究所?！八宋覀儚纳窠?jīng)科學(xué)各個領(lǐng)域了解到的各種連接規(guī)則。在重建過程中，我們可以檢驗(yàn)舊理論，并希望發(fā)現(xiàn)一些前所未見的新事物?！?/p>
這些研究結(jié)果揭示了新的細(xì)胞類型、特征、組織和功能原理，以及一種新的細(xì)胞分類方法。其中最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)之一是發(fā)現(xiàn)了大腦內(nèi)一種新的抑制原理?？茖W(xué)家們此前認(rèn)為，抑制性細(xì)胞（即那些抑制神經(jīng)活動的細(xì)胞）只是一種抑制其他細(xì)胞活動的簡單力量。
然而，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種更為復(fù)雜的溝通方式：抑制細(xì)胞的活動并非隨機(jī)；相反，它們對目標(biāo)興奮性細(xì)胞有著高度的選擇性，從而形成了一個覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)合作系統(tǒng)。一些抑制細(xì)胞協(xié)同作用，抑制多個興奮性細(xì)胞，而另一些則更為精準(zhǔn)，只針對特定類型的細(xì)胞。
“從很多方面來說，這都代表著未來，”貝勒醫(yī)學(xué)院和斯坦福大學(xué)參與該項(xiàng)目的首席科學(xué)家之一 Andreas Tolias 博士解釋說?！癕ICrONS 將成為一個里程碑，我們將在此構(gòu)建涵蓋多個分析層面的大腦基礎(chǔ)模型，從行為層面到神經(jīng)活動的表征層面，甚至到分子層面?！?/p>
了解大腦的形態(tài)和功能，并能夠以前所未有的規(guī)模分析神經(jīng)元之間的詳細(xì)連接，為研究大腦和智力開辟了新的可能性。這也對阿爾茨海默病、帕金森病、自閉癥和精神分裂癥等與神經(jīng)通訊中斷有關(guān)的疾病具有重要意義。
“如果你的收音機(jī)壞了，而且你有電路圖，你就能更好地修理它，”艾倫研究所副研究員努諾·達(dá)·科斯塔博士說?！拔覀冋诿枥L一種Google地圖，或者說是這顆沙粒的藍(lán)圖。未來，我們可以用它來比較健康小鼠和疾病模型小鼠的大腦連接?！?/p>
MICrONS 項(xiàng)目是來自艾倫研究所、普林斯頓大學(xué)、哈佛大學(xué)、貝勒醫(yī)學(xué)院、斯坦福大學(xué)等許多大學(xué)的 150 多名科學(xué)家和研究人員的合作成果。
“進(jìn)行這種大規(guī)模、團(tuán)隊(duì)規(guī)模的科學(xué)研究需要大量的合作，”艾倫研究所數(shù)據(jù)與技術(shù)副主任福雷斯特·科爾曼博士說道。“它需要人們擁有遠(yuǎn)大的夢想，并齊心協(xié)力攻克那些顯然無法解決的問題，而這正是取得進(jìn)步的途徑。”
此次全球合作得益于美國情報高級研究計(jì)劃局 (IARPA) 和美國國立衛(wèi)生研究院的“通過推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行腦研究計(jì)劃”（即 BRAIN 計(jì)劃）的支持。
“BRAIN 計(jì)劃在匯聚不同學(xué)科的科學(xué)家開展復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的研究方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，這些研究無法單獨(dú)完成，”BRAIN 計(jì)劃主任 John Ngai 博士說道?！爸T如大腦連接方式之類的基礎(chǔ)科學(xué)構(gòu)建模塊，是我們更好地理解腦損傷和腦疾病，使治療和治愈方法更接近臨床應(yīng)用的基礎(chǔ)?！?/p>
繪制出大腦中一粒沙子大小區(qū)域的神經(jīng)元連接、形態(tài)和功能圖譜，不僅是一項(xiàng)科學(xué)奇跡，更是邁向理解思維、情感和意識的神秘起源的一步。弗朗西斯·克里克在1979年首次提出的“不可能”任務(wù)，如今距離現(xiàn)實(shí)又近了一步。
編譯自/ScitechDaily
熱門跟貼