1月23日消息,来自谷歌和弗吉尼亚Janelia研究校园的科学家们发布了迄今为止最大的动物大脑连接高分辨率图,据了解,他们共享的这个3D模型追踪了连接果蝇大脑中约25000个神经元的2000万个突触。


迄今高分辨最高大脑连接图 谷歌强大算法能力又立功-贤集网


该模型是连接学领域的一个里程碑,它使用详细的成像技术来绘制大脑物理路径。这张被称为“神经连接体(connectome)”的地图覆盖了果蝇大脑的约三分之一。迄今为止,只有一种生物--秀丽隐杆线虫的大脑得到过这样详细细致的描述。


在科学界,连接学的名声好坏参半。支持者认为,它有助于将大脑的物理部分跟特定行为联系起来,这是神经科学的一个关键目标。但批评人士则认为,它还没有带来任何重大突破,他们指出,绘制神经元图谱的艰苦工作是对资源的消耗,而这些资源本可以得到其他更好的利用。


“重建毫无疑问是一个技术上的奇迹,”诺丁汉大学的神经学家Mark Humphries在接受The Verge网站采访时表示。但他指出,这也是其他科学家现在使用的主要资源,它本身不会回答任何紧迫的科学问题,但它可能会引出一些有趣的谜团。


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这张由谷歌和Janelia的FlyEM团队制作的3D图无疑是一项技术成就,它是自动化方法和大量人工劳动的产物。


据了解,制作这张地图的第一步就是要把果蝇大脑的各个部分切成20微米厚的碎片,大约是人类头发宽度的三分之一。果蝇是连接体研究的常见对象,因为它们的大脑相对简单,只有罂粟种子大小,但却能表现出像求爱舞这样的复杂行为。然后再用扫描电子显微镜的电子流轰击这些大脑切片使其成像。由此产生的数据由约50万亿个3D像素组成,通过追踪每个细胞路径的算法对其进行处理。


尽管谷歌拥有强大的算法能力,但它仍需要大量的人力来检查软件的工作。这家公司表示,Janelia的科学家花费了了两年时间和数十万小时来“校对”3D地图,同时还利用虚拟现实头盔和定制的3D编辑软件来验证这2000万个化学突触的路径。


即使这样,得到的地图也只覆盖了果蝇大脑的一部分,即半脑。果蝇的大脑总共有10万个神经元,而人类大脑约有860亿个神经元。这表明人们离建立一个完整的神经通路连接体还有非常远的路要走。


Joshua Vogelstein是一位生物医学工程师,也是Open Connectome项目的联合创始人。Vogelstein表示,在未来十年,这些项目提供的数据将最终开始开花结果。


在过去的三十年中,研究人员依靠神经影像学 - 磁共振成像等脑部扫描( MRI)或正电子发射断层扫描(PET) - 研究阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病。然而,到目前为止,这些研究未能提供一致的结果,使科学家们无法找到治疗方法或治愈方法。


由Beth Israel Deaconess医学中心(BIDMC)的医学博士迈克尔·D·福克斯领导的神经科学家使用人脑连接组的数据 - 人类可公开获得的“接线图”大脑基于数千名健康人类志愿者的数据 - 重新评估阿尔茨海默病患者的神经影像学研究结果。


“在神经影像学中,一个常见的假设是特定疾病或症状的研究都应该涉及特定的大脑区域,”BIDMC脑网络成像与调制实验室主任,哈佛医学院神经病学副教授福克斯说。“然而,认知功能,神经精神症状和疾病可能更好地映射到大脑网络而不是单个大脑区域。因此我们测试了这些不一致的神经影像学发现是一个连接的大脑网络的一部分的假设。”


福克斯及其同事,包括通讯作者R。 Ryan Darby,医学博士,博士,以前是BIDMC福克斯实验室的研究员,现在在范德比尔特大学医学中心,分析了26项阿尔茨海默病神经影像学研究的结果。这些研究调查了阿尔茨海默病患者大脑结构,代谢或循环异常;然而,研究结果似乎不一致,研究发现不同脑区的异常。没有单个大脑区域始终表现出神经影像异常。然而,当Fox的团队将这些不同的神经影像异常映射到人体连接组 - 人脑的接线图时 - 出现了不同的画面。


“当我们将这种方法应用于我们的26项研究时,我们发现100%的研究报告了神经影像异常,它们是相同的连接脑网络的一部分 - 在成像模式内部和之间,”Fox报道。“这些结果可能有助于协调不一致的神经影像学发现,并提高我们将脑症状或疾病与神经解剖学联系起来的能力。”


福克斯及其同事之前曾使用过Fox和其他人开创的网络映射技术来揭示大脑的哪些部分是造成许多症状,状况,行为甚至意识的原因。现在,这种方法可以为更深入地了解阿尔茨海默氏症和其他脑部疾病铺平道路。


该研究结果还提出了神经科学领域“再现性危机”的独特解决方案。再现性 - 不同研究者再次进行研究并获得相同结果的可能性 - 是科学方法的主要原则之一,也是将研究结果转化为治疗方法的关键。在这项研究中,Fox及其同事使用人类连接组来改变测量重现性的方式。


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