查看迄今为止最详细的人类大脑物质图谱

一立方毫米，从各方面来看，都是非常小的。它几乎无法被察觉——只是一个斑点、斑点或碎屑。但仔细观察，你就能发现物质粒子内部的整个世界。在机器学习工具的帮助下，一个由神经科学家和工程师组成的团队以纳米级分辨率绘制了人类大脑一立方毫米体积的图谱，追踪了碎片内的每个神经元、突触、血管和支持细胞，并重建了组织的 3D 模型。虽然它只占整个大脑体积的百万分之一，但它是有史以来绘制的人类大脑物质最详细的地图。它可能会引发一波关于神经系统疾病、大脑结构和我们行为起源的科学发现浪潮。

“从某种意义上说，我们的数据集非常小，”联合高级研究员、哈佛大学神经科学家兼细胞与分子生物学教授 Jeff Lichtman 告诉PopSci 。“但它并不小，因为当你进入它时，你会发现它就像一片巨大的森林。这是一片非常小的森林，但却是一片非常、非常、非常复杂的森林，”他补充道。

所有这些复杂性都在一项记录了这张综合大脑图谱或“连接组”构建的研究报告中展现出来，该研究于 5 月 9 日发表在《科学》杂志上。第一个连接组是 1986 年完成的线虫大脑。从那时起，神经科学家就一直在绘制越来越大、越来越复杂的大脑——包括果蝇、蛆虫、蝌蚪和蚯蚓的大脑。然而，人类大脑的复杂性和难以接近性给绘制大脑提出了独特的挑战。新的部分人类连接组已在网上发布，任何人都可以探索。

托马斯杰斐逊大学的神经科学家蒂姆莫斯卡（Tim Mosca）没有参与这项新研究，但他告诉 PopSci：“这不仅是一项令人印象深刻的技术壮举，它还是一种工具和资源，旨在与世界分享并传播所有这些科学信息。” “这个团队在设计所有新工具和流程方面做得非常出色，让任何想要查看、思考和在研究中使用它的人都可以使用它。”

提供大脑披萨

研究样本是十多年前从一位接受癫痫手术的匿名患者身上采集的。外科医生切除了一小块颞叶以接触和治疗潜在的病变，迅速保存了组织，随后与科学家分享。虽然碎片的总体积约为 1 立方毫米，但它不是立方体形状。相反，“它就像一块厚披萨——但没有那么厚，”利希特曼说。这块钝的三角形碎片，长度大于宽度，使研究人员能够捕捉到 3 毫米厚的大脑皮层的所有六层。

绘制大脑披萨的第一步是将其切成 5,019 个单独的横截面（每个厚度为 30 纳米），用专门设计的机器用金刚石刀切割，贴在胶带上。此后，研究人员花了整整一年的时间通过电子显微镜仔细成像每个切片。然后，他们以数字方式对齐和拼接切片，并使用多种机器学习工具填写 3-D 表格并标记和着色每个组件。

根据研究，该脑片的神经元密度为每立方毫米 16,000 个神经元，比之前对同一脑片的密度估计低约三分之一，比小鼠脑的相应部分密度低 10 倍。神经胶质细胞（将脑组织连接在一起的粘合剂）的数量是脑片中神经元数量的两倍。

神经探索者

虽然大脑碎片的物理尺寸很小，但其细节程度意味着映射工作捕获的数据量巨大。重建的大脑碎片的数字大小为 1.4 PB，即 1,400 TB（相当于约 2,800 台普通笔记本电脑的存储容量）。其中有很多东西有待发现：单个神经回路、以前未观察到的细胞比例和形状、每个皮质层的构成等等。

“这就像是一个探险家登上了一座新岛屿，”利希特曼说道。“你不断环顾四周，就会不断发现新事物。”

利希特曼和他的许多合作研究人员已经做出了一些有趣的观察。在他们绘制的约 1.5 亿个突触中，他们发现了一种罕见的特别强的连接。在绝大多数 (96.5%) 的情况下，轴突（神经元的传出传输线）与目标细胞形成一个连接。一些（约 3%）建立了 2 个连接。但不到 0.01% 建立了超过 4 个突触，包括一些轴突和目标细胞在 50 多个点上连接。

“我们一直有一种理论，认为某些细胞之间存在着超级连接，”莫斯卡说。“但我们从未有决心去证明这一点……现在我们知道它存在，我们可以继续研究它的作用。”利希特曼目前的假设是，这些额外强化的连接是一种超快的通路，使大脑能够“自动使用”已建立的、习得的动作。

另一项新发现是：许多树突（通常接收输入的神经元的分支延伸）似乎彼此镜像 - 在无限的三维可能性中，以仅有的两种方向排列之一对称指向。“我们以前从未见过这样的事情，”利希特曼说。“它们为什么会这样做？我们不知道......[这]完全是个谜。”

科学家们还发现了一种新的无法解释的结构，他们将其命名为“轴突螺旋”，其中长长的轴突电缆似乎缠绕在一起。虽然不是每个神经元都是这样，但有些轴突包含多个结，维伦·贾恩 (Viren Jain) 表示。贾恩是谷歌的资深研究员，领导该公司的 Connectomics 研究团队。同样，这些螺旋的功能和成因尚不清楚。“我们没想到会发现这样的结构。它非常奇怪……就像一大堆乱七八糟的电线，这有点违背了电线的初衷，电线的初衷是去各个地方并与其他东西接触。”

这三项发现可能只是冰山一角。“数据集非常庞大，一个人或一个实验室小组不可能探索完所有数据，但一群人可以，”利希特曼说。贾恩指出，由于该项目的开放性，自首次以预印本形式发布以来，已有 200 多篇论文引用了大脑重建结果。

除了是科学上的一项重大、根本性的进步之外，部分连接组学的发现最终还可以帮助我们更好地理解和治疗脑部疾病。“能够如此详细地测量人类大脑的神经连接，为促进人类健康开辟了令人兴奋的机会，”普林斯顿大学物理学家兼神经科学家安德鲁·莱弗 (Andrew Leifer) 表示，他没有参与该项目。“我们可以想象比较不同的大脑，以了解当健康大脑患病或出现功能障碍时，大脑连接会如何变化，”他补充道。

开拓未来领域

但尽管有很多东西有待发现，但也存在局限性。自动化机器学习方法是实现如此大规模努力的关键，但存在一定误差，需要人工监督才能纠正。编辑将是一个持续的项目，也是一项社区科学努力，任何人都可以申请参与。

该样本也只是一个人大脑的一小部分。利希特曼指出，如果没有更多的样本和地图进行比较，那么基于这一单个碎片，我们无法推断出关于人类大脑或颞叶以外其他大脑区域的许多信息。

而且，或许最关键的是，这块大脑碎片来自一位正在接受癫痫手术的人——它可能不代表“正常”的大脑，而且除非我们有更多的碎片可供评估，否则无法确定，贾恩和利希特曼说。“但我们计划对此进行多次跟进，”贾恩补充道。

该团队的目标是构建多个代表更多人类大脑样本的部分连接组。他们还在研究斑马鱼连接组，并计划研究越来越大的小鼠大脑片段。Lichtman 表示，哺乳动物的大脑有很多相似之处，因此完整的小鼠连接组可以为我们的大脑以及动物大脑的进化提供新的见解。

目前，就现有技术（以及伦理影响）而言，要获得完整的人类大脑连接组“还遥不可及”，利希特曼说。“实际上，我们距离这个目标还有一百万倍的距离，”贾恩说。但通过这项研究，科学家们已经朝这个方向迈出了初步的一步（尽管微不足道），即使是最小的窥视孔也可以成为通往整个知识宇宙的门户。

“我希望人们能以看待哈勃或詹姆斯·韦伯望远镜的方式看待这个问题，”利希特曼说。“我们正在窥视一个未知的领域，这个领域对我们来说比遥远的外太空更为重要。我们每个人肩负的正是这个内在空间，我们利用它，但对它几乎一无所知。”