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腦細胞 來自：www.microns-explorer.org

本文為轉(zhuǎn)化醫(yī)學網(wǎng)原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處 

作者：Dobby

來自普林斯頓大學、艾倫研究所和貝勒醫(yī)學院（Princeton University, the Allen Institute and Baylor College of Medicine）的神經(jīng)科學家和計算機科學家剛剛發(fā)布了一組將3D線路圖與數(shù)萬個神經(jīng)元功能結(jié)合在一起的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了迄今為止對哺乳動物大腦回路最詳細的檢查圖。

200個細胞與功能數(shù)據(jù)匹配 來源：www.microns-explorer.org

不可能任務(wù)

這個龐大的項目的完整名稱為：皮層網(wǎng)絡(luò)的機器智能 (Machine Intelligence from Cortical Networks，MICrONS) 計劃。由智能高級研究項目活動（Intelligence Advanced Research Projects Activity）資助，共耗時五年完成。

官網(wǎng)截圖

普林斯頓大學神經(jīng)科學和計算機科學教授 H. Sebastian Seung 是MICrONS的首席科學家之一，他說：“我們的五年任務(wù)非常艱巨，其充滿野心的目標在許多人看來是無法實現(xiàn)的?！?“就在第一年，一位實驗室成員和我爭辯說，即使是第一階段的試點也是不可能達到的。而直到今天，我們正放出一立方毫米（1 mm³）的重建小鼠腦皮層，這比第一階段的目標還大1000倍。”

該數(shù)據(jù)集已公開提供給任何人瀏覽和使用（文末有官網(wǎng)鏈接），其繪制了 20 萬個腦細胞（brain cells）和近 5 億個突觸（synapses）的精細結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)度，而所有這些都包含在一個立方毫米的小鼠大腦塊中，這大約是一粒沙子的大小。這個腦塊來自視覺新皮層，即哺乳動物大腦中負責處理眼睛所看見的事物的那部分。

神秘又神奇

“大腦皮層是人類大腦中最大的結(jié)構(gòu)，它幾乎有神話般的地位，”Seung 說?！?906年諾貝爾獎獲得者、西班牙英雄Santiago Ramon y Cajal就稱其為'謎中之謎’，他是繪制神經(jīng)回路的先驅(qū)。我們相信Cajal會為我們在21世紀重建的這一片皮層感到十分高興。我想我們自己也為我們所做的也感到十分開心，雖然我們因為五年的任務(wù)太累而還沒回過神來呢！”

這個項目的目標是挖掘大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息以改進機器學習。該數(shù)據(jù)集對神經(jīng)科學領(lǐng)域也很有價值：無論是對想尋求了解大腦如何沿著清晰的回路傳遞信息的科學家，還是對想治療因大腦線路或連接發(fā)生異常而導致的腦部疾病的生物醫(yī)學研究人員。

“我們基本上把大腦回路當作一臺計算機對待，我們共有三個問題：它有什么作用？它是如何連接的？程序是什么？”艾倫研究所的高級研究員、MICrONS的首席科學家之一，Clay Reid說?！皩嶒炇菫榱藦淖置嫔嫌^察神經(jīng)元的活動，即看著它們計算。我們今天展示的重建能讓我們看到神經(jīng)回路的元素：腦細胞和線路，其跟著線路到達細胞之間的連接點，這樣就能把圖繪制出來。最后一步就是理解繪制出的網(wǎng)絡(luò)，在這一步上我們也就可以說我們可以讀取大腦程序了。”

突觸可視化   來自：www.microns-explorer.org

電子顯微鏡和數(shù)據(jù)集

該數(shù)據(jù)集加入了最近發(fā)布的其他使用相同技術(shù)，即電子顯微鏡，捕獲人類和果蠅大腦線路圖的行列。這個方法能展現(xiàn)整個微觀景象下令人難以置信的細節(jié)，如在這個項目里，可以看到密集的卷須神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞、血管和構(gòu)成大腦實質(zhì)物質(zhì)的其他細胞的圖形，以及每個細胞的所有極小的內(nèi)部組成成分。

新發(fā)布的MICrONS數(shù)據(jù)包含迄今為止比任何此類數(shù)據(jù)集都多的細胞和連接。它足夠大，并可以捕獲整個局部回路和單個小鼠神經(jīng)元的近乎完整的3D形狀。一些神經(jīng)元以難以置信的長距離建立連接，將它們的軸突一路穿過大腦，進行傳送。而這些長距離連接在這個數(shù)據(jù)集中沒有完全體現(xiàn)。但是所選擇的立方毫米體積可以捕捉涉及視覺的多個大腦區(qū)域的回路，同時可盡可能完整地捕捉到整個神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)。

實驗之前與之后

在收集結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之前，貝勒醫(yī)學院的研究團隊在老鼠觀看自然的圖像或電影時捕捉了它們大腦中這部分神經(jīng)元的活動。貝勒醫(yī)學院神經(jīng)科學教授、神經(jīng)科學與人工智能中心主任，MICrONS首席科學家之一的Andreas Tolias說：“新皮質(zhì)包含數(shù)十億個神經(jīng)元，并通過數(shù)萬億個連接進行交流，就是這些連接賦予了哺乳動物驚人的能力。而攻克這個眼花繚亂的復(fù)雜問題的關(guān)鍵點就在于發(fā)現(xiàn)線路規(guī)則與神經(jīng)元功能特性之間的關(guān)系?！?/p>

“該計劃是獨一無二的，因為它讓我們組建起了一個跨學科團隊，來進行一項非常雄心勃勃的實驗，讓我們能夠回答這個問題，”Tolias表示。

在貝勒實驗之后，艾倫研究所的研究人員保存并切了27,000多個腦切片，每個切片只有 40 納米厚，再使用定制的電子顯微鏡捕獲了總共1.5億張這些切片的圖像。切割晝夜不停地進行了12天，在此期間，生物學家、工程師和軟件開發(fā)人員輪流值班，確保在切割出錯時立即停止并重新啟動儀器。

然后，普林斯頓團隊用深度學習“分割”圖像，再分別定義每個細胞及其內(nèi)部組件。普林斯頓的軟件工程師、學生和博士后團隊經(jīng)過數(shù)月艱苦訓練后使用了卷積網(wǎng)絡(luò)，將連續(xù)切片圖像與3D圖像堆對齊，檢測神經(jīng)元邊界并識別突觸連接的神經(jīng)元。其中每一步都分布在一次運行數(shù)天的巨型計算機里。