最大规模大脑图谱详细展示了大量神经元及其活动情况

3D重建首次将神经元活动叠加到大规模的脑细胞图谱上。

这是根据对小鼠一立方毫米脑组织的分析重建出的1000多个脑细胞的效果图。图片来源：艾伦脑科学研究所

研究人员通过绘制小鼠一立方毫米脑组织中的细胞图谱，绘制出了迄今为止规模最大、最详细的哺乳动物大脑 “线路图”。作为一项具有里程碑意义的成果，该图谱还大规模地详细记录了单个神经元的活动，这在神经科学领域尚属首次。

这张高分辨率的三维图谱包含超过20万个脑细胞，其中约8.2万个是神经元。它还包括超过5亿个被称为突触的神经元连接点，以及超过4公里长的神经元线路，所有这些都来自大脑中一个与视觉相关区域的一小块脑组织。目前唯一可与之相媲美的大脑图谱是人类大脑一立方毫米的图谱，其中包含1.6万个神经元和1.5亿个突触。新图谱还捕捉到了数万个神经元发射信号并相互作用以处理视觉信息的活动情况。

这张大脑活动图谱与线路图相结合，标志着连接组学领域的一个里程碑，该领域旨在揭示大脑如何处理和组织信息。在这项庞大的工作背后，是 “皮质网络机器智能”（MICrONS）项目的150多名研究人员，他们在今天发表于《自然》和《自然-方法》杂志上的八篇系列论文中介绍了自己的研究成果。MICrONS项目已在网上向神经科学界开放了其研究资源，其他研究团队已经在不同的研究中对这些资源展开探索。

“他们成功做到了神经科学界在整个历史中基本上都未曾做到的事情，那就是能够在数量庞大的神经元群体上，将神经元的活动映射到线路图上，” 马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的神经科学家玛丽埃拉·佩特科娃说道，她并未参与该项目。“我们从未见过如此规模的成果。”

“这些数据真的美极了，” 来自华盛顿州西雅图市艾伦脑科学研究所的神经科学家福雷斯特·科尔曼说道，他是这些研究论文的共同作者之一。“看着这些数据，真的会让你对大脑的复杂程度心生敬畏，这种感觉很像仰望夜空的繁星。”

处于矩阵中的小鼠

为了绘制出这一具有突破性的图谱，研究人员首先记录了一只小鼠在观看各种视频（包括《黑客帝国》片段）的两小时内，其视觉皮层中近7.6万个神经元的放电情况。然后，他们将小鼠一立方毫米的大脑切成数千个组织切片，每个切片的厚度约为人类头发丝的四百分之一。

科学家对每个切片进行成像，并将这些图像组合成一张三维图谱。最后，他们利用人工智能和机器学习算法对神经元、神经元的分支投射以及突触进行标注。研究团队还将图谱中的神经元与他们记录的活动中的脑细胞进行了匹配。

德国法兰克福马克斯·普朗克脑科学研究所的神经科学家莫里茨·黑尔姆施泰特表示，“在如此规模上实现功能与结构的结合” 是前所未有的。这是 “一项非常了不起的努力和成就”。

一起放电，一起连接

这项研究让人们深入了解了塑造小鼠大脑神经回路的基本规则。例如，论文作者发现，大脑皮层中对相似类型的视觉特征（如特定的形状或运动方向）做出反应的神经元，无论它们之间的距离有多远，彼此之间形成的连接往往比与专门处理不同类型特征的神经元之间的连接更多。

科尔曼说，这些结果为神经科学中一个长期存在的理论增添了新的内容，即 “一起放电的神经元会连接在一起”。此前的研究仅在有限数量的神经元和突触上验证了这一理论。他补充道，当前的研究表明，“这一规则在大脑皮层的所有不同组成部分中的应用存在多样性”。

MICrONS项目的研究人员希望他们的数据集能够帮助揭示大脑中的各种特征和过程。“我们对大脑皮层的各个区域都有不同程度、不同方式的了解。我认为这仅仅是将结构与功能联系起来的开始，” 艾伦脑科学研究所的神经生物学家克莱·里德说道，他也是MICrONS项目相关论文的共同作者之一。

黑尔姆施泰特表示，研究人员可以利用这些线路图来研究大脑如何存储和回忆视觉记忆，比如 “我们对上次生日聚会或祖父母的回忆”。他补充道，这些都是 “关于哺乳动物大脑皮层的重大开放性问题，而且仍然非常基础”。

艾伦脑科学研究所的神经解剖学家努诺·马萨里科·达·科斯塔也是MICrONS项目相关论文的共同作者之一，他表示，新发表的图谱覆盖了小鼠大脑约0.2% 的区域，但MICrONS团队将测试相关技术，以绘制出小鼠的整个大脑图谱。