科学家绘就“最完整”大脑连接图谱

参考消息网4月13日报道 据西班牙《世界报》网站4月9日报道，迄今为止最完整的大脑连接图揭示了驱动生物体运行的“线路”是如何组织和工作的。

为了让我们完成那份逾期未交的报告或在电脑上完成一直等待我们处理的Excel电子表格，大脑中的神经网络正以极快的速度工作着，同时连接着错综复杂的细胞通路。

我们仍不太清楚这种驱动身体精确运行的复杂“线路”是如何工作的，但神经科学在揭开其神秘面纱方面已经取得长足进步。

本周，“来自大脑皮层网络的机器智能”项目的最新研究成果为我们提供了迄今为止最详细的小鼠大脑结构与功能连接图。

在美国艾伦人工智能研究所的领导下，由来自不同机构的150多名研究人员组成的研究小组花了10多年时间绘制了这幅图谱，详细描述了小鼠大脑皮层（特别是视觉区域）一立方毫米区域内的情况。

这个微小空间的大小仅相当于一粒罂粟种子。科学家已经能够量化和详细描述其内的约8.4万个神经元、5亿多个突触和超过5.4公里长的神经“线路”。他们成功绘制出一幅高分辨率图谱，能够展示大脑中不同细胞系是如何组织和协同工作的。

4月9日，英国《自然》周刊和《自然-方法》杂志发表了10篇研究报告，公布了这项工作的所有细节，以及科学家开发的利用人工智能收集数据的技术，而这些数据将向整个科学界开放。

西班牙阿利坎特神经科学研究所的胡安·莱尔马指出，这是迄今已知最完整的图谱，因为它包含了纳米级分辨率的结构，还将这些数据与许多神经元的功能活动记录结合起来。

利迪娅·里波尔是英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室的一名博士后研究员，她最近参与绘制了首张秀丽隐杆线虫无线神经信号图谱。她说：“在我看来，他们创建的数据集与他们为收集这些信息而开发的新技术工具同样有价值。正如他们所展示的那样，这些创新将使我们今后能够更快、更详细地研究小鼠和其他物种大脑的更大区域。”

美国哥伦比亚大学神经技术中心主任拉斐尔·尤斯特也认为：“这批文章是‘脑计划’中最令人印象深刻的成果之一。”该计划2013年由时任美国总统奥巴马发起，将持续到2030年。

为了开展工作，研究人员首先记录了实验动物视觉皮层中多个神经元的活动。他们使用的是经过基因改造的小鼠模型。经过改造后，它们的神经元在活动时就会释放荧光蛋白。研究人员让实验动物观看电影和优兔（YouTube）网站上的视频，以激活它们的视觉皮层，同时记录了数万个神经元的活动。在实验期间，动物的头部被固定以记录其大脑活动，但它们可以在仓鼠轮上行走。

实验结束后，科学家从研究对象的视觉皮层中抽取一立方毫米的区域，将其切割成大约2.8万个非常薄的切片。每个切片都经过创新的电子显微镜技术处理，使研究人员能够得到分辨率极高的图像。

最后，科学家利用人工智能和机器学习工具，在三维模型中重建了结构和连接。

这项技术的发展使研究人员能够将动物观看图像时被激活的神经元与电子显微镜显示的纳米级大脑结构直接联系起来。

科学家指出，有了该数据集，就可以识别新的细胞特征和类型，并制定细胞分类的新原则和方法。

例如，这项工作识别并量化了兴奋性神经元、抑制性神经元，以及与其他神经元相关的突触前神经元等。

莱尔马强调，这一研究成果还将对神经计算领域产生巨大影响。

莱尔马认为，在结构和功能层面上显示出的连通性原理“似乎在学习过程中发挥着关键作用”。这种模式也是“生物和人工系统”所共有的。

他说：“生物神经网络向我们展示了如何开发和设计人工神经网络，以便更好地学习和再现生物过程。这为我们打开了一扇通往未来的巨大窗口，让我们能了解大脑是如何工作的，以及为什么当神经网络受到干扰时会出现我们称之为疾病的故障。”