哺乳動物的大腦是一個由數十億個細胞組成的複雜網絡，通過數万億個節點連接起來，而神經科學家尚未將這些節點分開。現在，研究人員繪製了小鼠大腦部分面積僅為 1 立方毫米（大約相當於一粒沙子大小）的許多腦細胞和連接圖。
“一毫米看似很小，但在那毫米之內，卻有數公里長的線路。”雅各布·雷默貝勒醫學院的神經科學家告訴《生活科學》雜誌。賴默是 10 項新研究之一的資深作者，在這些研究中，科學家們詳細介紹了他們如何構建這張非凡的大腦圖譜。
“這種方法彌合了神經科學中觀察神經元的行為和理解它們如何連接之間的根本差距，”莉莉安·穆希卡·帕羅迪石溪大學的一位神經科學家沒有參與這項工作，他在一封電子郵件中告訴《生活科學》。
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大腦圖譜是如何繪製的
研究人員使用活體實驗室小鼠構建了連接組，該小鼠經過基因改造，使其神經元在興奮時會發光。這使得研究人員能夠在小鼠觀看視頻和 YouTube 剪輯（包括《瘋狂的麥克斯：狂暴之路》、《黑客帝國》和《星球大戰：第七集 — 原力覺醒》中的場景）時使用顯微鏡檢測腦細胞。
研究人員記錄了枕葉一立方毫米塊中 76,000 個神經元的大腦活動，枕葉位於大腦後部，是視覺處理的關鍵。隨後，研究小組提取了小鼠的大腦，並使用電子顯微鏡檢查了同一腦葉的解剖特徵，例如細胞形狀和連接。
接下來，使用解剖和發光細胞圖像作為指導，算法追踪腦細胞及其延伸，生成最終的 3D 地圖。這項製圖壯舉包含 200,000 個細胞和神經元之間的 5.23 億個連接（稱為突觸）。
大腦包含執行不同功能的各種類型的細胞，包括發送信號的神經元和支持神經元功能的神經膠質細胞。機器學習工具根據他們的身體特徵。
福雷斯特·科爾曼艾倫研究所的神經科學家、其中兩篇論文的高級作者表示，該數據集比取自的連接組大三倍人腦的一部分比連接體大40倍，使其成為迄今為止最大的連接體。
雷默表示，儘管數據集非常密集，但它並不完整——一些腦細胞丟失了。
連接組還包含“孤兒”延伸，這些延伸似乎不是從任何細胞發出的。這可能是因為機器學習算法未檢測到細胞本身，或者因為擴展連接到採樣區域範圍之外的細胞。
“需要進行大量校對，”雷默說，其中大部分雙重檢查必須由科學家手動完成。也就是說，他的團隊開發了一個軟件工具。
對神經連接的新見解
有一句諺語說神經元“一起火，一起電線”這意味著，至少在短距離內，串聯激活的腦細胞更有可能形成連接。連接組顯示這種模式也
科爾曼說，連接組還揭示了關於所謂的抑制性神經元（使其他神經元不太可能放電）的新信息。。
科爾曼說，在連接組出現之前，神經科學家不確定抑制性神經元是否針對給定網絡中的特定細胞，而不僅僅是影響恰好位於其接線附近的局部神經元。連接組顯示，來自大腦不同區域的抑制細胞可以匯聚到遠處的相同靶細胞上，這表明它們的抑制具有高度特異性。
未來可以從這個連接組中得出更多見解。
“作者公開了與論文相關的數據，”說馬克斯·阿拉貢是普林斯頓大學的神經科學博士生，未參與這項工作。 “這對神經科學界來說是一個巨大的福音，”他在一封電子郵件中告訴《生活科學》，並指出其他研究人員現在可以利用這些數據來開展自己的工作。
Mujica-Parodi 說，除了揭示大腦的功能之外，連接組還可以“為解決神經系統疾病提供重要的見解，其中迴路功能障礙發揮著作用”。阿爾茨海默病的斑塊以及形成經常損壞神經網絡。
工作還不止於此。 “從某種意義上說，毫米立方體是巨大的，”雷默說，“但它只是老鼠視覺系統的一小部分。”
他補充說，在未來十年中，美國國立衛生研究院的大腦計劃將重點開發整個小鼠大腦的連接組，這可以幫助研究人員了解不同大腦區域之間的長距離電路。
然而，該項目的未來目前尚不確定，因為國會削減了2.78億美元來自去年的資金。
編者註：Max Aragon 之前曾與該研究的兩位作者 Chris Xu 和 Sven Dorkenwald 合作過。
