科學家們讓一只小老鼠觀看《黑客帝國》和《星球大戰》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聯的“活”大腦地圖！這項重大突破性研究4月9日發表在《自然》雜志，首次將大腦結構和功能融為一體，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：宇宙中最復雜的“服務器”？

我們都知道，大腦是人體最復雜、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”（神經元細胞），數量動輒百億；連接這些處理器的“線路”（神經纖維）更是數以萬億計，形成了一個比互聯網還要復雜無數倍的網絡。科學家們一直夢想著能徹底搞清楚這個網絡的構造，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，要么只能看到模糊的“街區”，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計

那么，美國普林斯頓大學等機構組成的龐大MICRONS 團隊是如何攻克這個難題的呢？他們設計了一套堪稱“腦洞大開”的流程：

選角：會發光的“影迷”小鼠

他們首先請出了一位特殊的“演員”——一只經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元細胞被植入了一種“指示劑”，當神經元活躍起來（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：“腦內直播”看大片

然后就是“觀影”環節了。科學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》等電影場景和一些特殊設計的圖案。這時小鼠大腦視覺皮層中負責處理這些畫面的神經元就會興奮起來，發出熒光。科學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“腦內直播”，科學家能直接看到小鼠大腦在處理特定視覺信息時，是哪些神經元在“亮燈”。他們成功記錄下了大約 7.5 萬個神經元的“亮燈”情況。

解剖：深入內部繪制“線路圖”

但光知道哪些燈亮了還不夠，科學家還需要知道這些燈之間是怎么連接的。于是，在“觀影”結束后，科學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“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。他們把這塊腦組織切成了近 2.8 萬片比頭發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據（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據，光靠人力去分析是不可能的。這時，人工智能（AI）閃亮登場。科學家們訓練了一個強大的機器學習算法，讓它像一個孜孜不倦的“地圖繪制師”，在數百萬張電鏡照片中自動追蹤每一個神經元的輪廓，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元之間傳遞信號的關鍵節點——突觸。最終，AI 繪制出了一張包含超過 20 萬個細胞（神經元和支持細胞）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，也是最關鍵的一步：科學家們利用復雜的算法，將之前“腦內直播”記錄下的功能數據（哪些神經元在看電影時亮了燈），與 AI 繪制的結構地圖（神經元的精確連接）完美地對應起來。這樣一來，他們不僅知道了神經元是如何連接的，還知道了這些連接在執行具體任務（比如看尼奧躲子彈）時是如何工作的，一張真正意義上的、規模空前的“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——"一起放電的神經元會共同連接"。這張地圖證實，這個法則不僅在鄰近的神經元之間有效，即使隔著一段距離（在毫米尺度內），功能相似（比如對同一類視覺信息反應強烈）的神經元也更傾向于“拉幫結派”，互相連接。

“剎車系統”的精準打擊： 大腦里不僅有負責興奮的神經元，還有負責“踩剎車”的抑制性神經元。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，抑制性神經元非常“講究”，它們會進行精準打擊，甚至可以從不同地方出發，匯聚到同一個遙遠的目標細胞上，進行精確調控。就像一群訓練有素的狙擊手，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“社交網絡”——它和誰連接，連接方式如何——科學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，這個龐大的數據集連同分析工具將一起被公開，全世界的科學家都可以免費使用這些數據進行探索，有望催生更多突破性的發現。

“活地圖”也有“待完善區域”

當然，即便是這樣一項突破性的研究，也并非完美無缺。科學家們也坦誠地指出了目前的局限：

地圖仍有“盲區”： 這張地圖雖然細節驚人，但并非 100% 完整。由于技術的限制，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構與功能以前所未有的精度和規模聯系起來，為我們理解大腦如何處理信息、產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，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、多發性硬化癥等神經系統疾病，甚至啟發新一代人工智能的發展。

而這一切，都始于一只觀看《黑客帝國》和《星球大戰》的小老鼠，科學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