來(lái)源：生物通

一項(xiàng)由150多名科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的歷時(shí)多年的大規(guī)模項(xiàng)目繪制了迄今為止最詳細(xì)的視覺(jué)信息在大腦中傳播的地圖——揭示了一小塊鼠腦組織中超過(guò)5億個(gè)連接。

研究人員利用發(fā)光神經(jīng)元、高倍電子顯微鏡和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，捕捉到了20多萬(wàn)個(gè)腦細(xì)胞的物理線路和實(shí)時(shí)電活動(dòng)。由此產(chǎn)生的1.6拍字節(jié)的數(shù)據(jù)集不僅是一個(gè)技術(shù)奇跡——它使我們更接近于回答一些古老的問(wèn)題：我們的大腦是如何將光轉(zhuǎn)化為視覺(jué)的，以及當(dāng)這個(gè)系統(tǒng)崩潰時(shí)，大腦疾病如何產(chǎn)生。

破解大腦的視覺(jué)密碼在由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院（NIH）資助的重大研究工作中，科學(xué)家們繪制了小鼠大腦中數(shù)十萬(wàn)神經(jīng)元之間的連接，并記錄了它們對(duì)視覺(jué)輸入的反應(yīng)。通過(guò)將大腦的連接與實(shí)時(shí)活動(dòng)相結(jié)合，這項(xiàng)工作為理解大腦如何處理視覺(jué)信息以形成我們看到的圖像奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

人腦通過(guò)大約860億個(gè)神經(jīng)元的快速電活動(dòng)來(lái)處理信息，每個(gè)神經(jīng)元都是一個(gè)擁有數(shù)萬(wàn)億連接的巨大網(wǎng)絡(luò)的一部分。我們的思考、感受和行動(dòng)都根植于這些連接的結(jié)構(gòu)以及在毫秒間流動(dòng)的電信號(hào)中。盡管這項(xiàng)新研究只關(guān)注大腦的一小部分，但它揭示了單個(gè)神經(jīng)元之間的聯(lián)系以及這些聯(lián)系如何貢獻(xiàn)于功能。這些見(jiàn)解有助于解釋大腦在健康狀態(tài)下的工作方式，以及在損傷或神經(jīng)疾病等情況下出了什么問(wèn)題。

捕捉大腦的活動(dòng)為了進(jìn)行這項(xiàng)研究，研究人員向經(jīng)過(guò)基因改造的小鼠展示了視頻片段，這些小鼠的神經(jīng)元在活躍時(shí)會(huì)發(fā)出光。這使得研究團(tuán)隊(duì)能夠記錄大腦視覺(jué)區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)模式，覆蓋的體積大約相當(dāng)于一粒沙子的大小。盡管體積很小，但該組織的復(fù)雜性令人驚嘆：約4公里長(zhǎng)的軸突——這些纖細(xì)的纖維負(fù)責(zé)在神經(jīng)元之間傳遞信號(hào)——交織在一起，形成了超過(guò)5.24億個(gè)突觸，連接著20多萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。

構(gòu)建大腦的3D電路圖為了繪制這些連接，研究團(tuán)隊(duì)連續(xù)12天每天工作12小時(shí)，使用電子顯微鏡（EM）仔細(xì)切割并拍攝大腦組織的超薄切片。重建是接下來(lái)最具挑戰(zhàn)性的步驟，因?yàn)樗枰獪?zhǔn)確地將近2.8萬(wàn)張EM圖像拼接在一起，以對(duì)齊穿過(guò)大腦組織體積的連接。

隨后，研究人員花費(fèi)數(shù)月時(shí)間使用深度學(xué)習(xí)算法追蹤這些連接，并進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)校對(duì)。構(gòu)建并驗(yàn)證了解釋皮層視覺(jué)信息處理的深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型。總體而言，為了創(chuàng)建這個(gè)微小的圖譜，收集到的數(shù)據(jù)量達(dá)到了1.6拍字節(jié)，相當(dāng)于連續(xù)播放22年的高清視頻。

神經(jīng)映射的新紀(jì)元這些成果出現(xiàn)在神經(jīng)元及其連接的圖譜越來(lái)越多地揭示大腦奧秘的時(shí)期。2023年，由美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院“通過(guò)推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)開(kāi)展大腦研究”計(jì)劃（NIH BRAIN Initiative）資助的研究繪制了小鼠大腦的第一個(gè)完整細(xì)胞圖譜，包括從超過(guò)3200萬(wàn)個(gè)細(xì)胞中調(diào)查的類(lèi)型和位置。去年，NIH BRAIN Initiative的“Flywire”項(xiàng)目完成了對(duì)普通果蠅大腦的完整映射，展示了完整映射整個(gè)大腦的獨(dú)特價(jià)值。

本新聞稿中詳細(xì)描述的小鼠連接組數(shù)據(jù)可以通過(guò)MICrONS Explorer資源在線查看。

本項(xiàng)目的資金由智能高級(jí)研究項(xiàng)目活動(dòng)的皮層網(wǎng)絡(luò)機(jī)器智能（MICrONS）計(jì)劃和NIH BRAIN計(jì)劃提供。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《Nature》系列期刊上的10篇論文中，代表了世界各地150多名科學(xué)家7年多來(lái)的工作。

參考文獻(xiàn)

Inhibitory specificity from a connectomic census of mouse visual cortex

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