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小而精，科学家绘制大脑皮层神经元三维图谱
研究人员以惊人的细节绘制了人类大脑的一小部分，由此产生的细胞图谱近日发表于《科学》，并可在网上获取。图谱揭示了被称为神经元的脑细胞、围绕自身形成结的细胞，以及几乎互为镜像的成对神经元之间的新连接模式。
基于电子显微镜数据的渲染，图片显示了大脑皮层片段中神经元的位置。图片来源：哈佛大学
三维图谱覆盖了大约1立方毫米的体积，相当于整个大脑的百万分之一，包含大约5.7万个细胞和1.5亿个突触，即神经元之间的连接。它包含了1.4 PB的巨大数据。论文作者之一、美国谷歌公司神经科学家Viren Jain说：“我们将如何真正接受所有的复杂性？”
大脑片段取自一名45岁的女性，当时她正在接受治疗癫痫的手术。该片段来自大脑皮层，这是大脑中负责学习、解决问题和处理感官信号的部分。研究人员将样本浸泡在防腐剂中，并用重金属染色，使细胞更容易被看到。
美国哈佛大学神经科学家Jeff Lichtman和同事将样本切成大约5000片，每片只有34纳米厚，可以使用电子显微镜成像。
然后，Jain团队建立了人工智能模型，将显微镜图像拼接在一起，以三维方式重建整个样本。“我记得这一刻，打开图谱，观察到女性大脑中的一个单独突触，再缩小到其他数百万像素。”
在详细研究该模型时，研究人员发现了非常规神经元，其中一些神经元彼此之间有多达50个连接。Jain说：“一般而言，两个神经元之间最多有几个连接。”在其他地方，该模型显示神经元有卷须，卷须围绕自身形成结。Jain补充说：“以前没人见过这样的东西。”
研究小组还发现成对神经元几乎是彼此的完美镜像。“我们发现两组树突会向两个不同的方向移动，有时会有一种镜像对称。”Jain说。目前还不清楚这在大脑中的作用。
这张图谱太大了，大部分还需要人工检查，而且在将这么多图像拼接在一起的过程中，仍然可能存在错误。“数百个细胞已经被‘校对’，但显然这只是5万多个细胞中的百分之几。”Jain说。
研究人员希望其他人能帮忙校对图谱中自己感兴趣的部分。他们还计划从其他人身上提取类似的大脑样本，但在未来几十年里，不太可能绘制出整个大脑的图谱。
美国艾伦脑科学研究所所长曾红葵表示：“这篇论文确实是人类大脑皮层数据集的杰作。免费获取的大量数据将使领域内人士能够更深入地研究人类大脑皮层中的微电路。”
更深入地了解大脑皮层如何工作，可能会为如何治疗一些精神和神经退行性疾病提供线索。美国宾夕法尼亚州立大学神经科学家Yongsoo Kim说：“这张图谱提供了前所未有的细节，可以揭示神经连接的新规则，并有助于破译人类大脑的内部工作。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.eadk4858
