鼠標腦研究增強了對人類思想的理解

Google研究人員剛剛揭開了人類大腦的詳細詳細地圖，重點是一塊很小而重要的作品：只有1立方毫米的腦組織，大約只有一半的米飯。這張地圖需要驚人的1.4之前的數據來編碼，並以顯著的清晰度展示了單個神經元及其複雜的連接。

即使這是大腦的小部分，該地圖也導致了一些驚人的發現。 Google研究科學家Viren Jain說：“例如，我們注意到一些神經線在這些巨大的結中扭曲。” “我們對為什麼會發生這種情況毫無疑問 - 這是以前從未見過的。”

現在，Viren和他的團隊將注意力轉移到了老鼠的大腦上，這是出於令人信服的原因。這些小型哺乳動物可能只是解鎖我們自己思想中一些最深刻的奧秘的鑰匙。諸如：我們如何存儲和檢索回憶的問題？我們如何識別對象和麵孔？為什麼我們需要這麼多睡眠？在阿爾茨海默氏症和其他腦部疾病等疾病中有哪些故障？

Viren解釋說：“我們缺乏這些問題的答案的主要原因是，我們仍然缺少研究大腦的關鍵數據。”

人類大腦具有860億個神經元和超過100萬億的突觸，是我們與世界的思想，情感，運動和互動背後的複雜機制。通過映射這些神經連接或“ Connectome”，我們可以深入了解我們的大腦的功能以及它們有時不作用的原因。

在突觸級別上創建詳細的地圖並不是很小的壯舉。它需要以納米分辨率和處理大量數據的處理來對大腦進行成像。這是一個技術挑戰，需要在成像，AI算法和數據管理工具中進行連續創新。這就是為什麼十年前的Google Research建立了連接組團隊的原因。

在過去的十年中，該團隊在開發技術以更有效地處理，分析和共享數據方面取得了長足的進步，從而顯著加速了我們對大腦的理解。例如，他們引入了洪水氾濫的網絡，該網絡可以使用機器學習自動化腦圖像的神經元的追踪，從而消除了對手動著色的需求。他們還開發了SEGCLR算法，以自動識別這些網絡中細胞和細胞類型的不同部分。此外，他們創建了TensorStore和Neurooglancer之類的軟件，以幫助存儲，處理和可視化大型的多維圖像和卷。

但是，映射整個人腦連接仍然是一個遙遠的目標。這將需要分析數據的數據（十億噸），目前超出了我們的技術影響力。 Viren承認：“現在繪製整個人類大腦將需要數十億美元和數百年的時間。”

結果，研究人員專注於繪製較大的較小動物的大腦或較小動物大腦的較小部分。 2020年，連接組團隊成功地繪製了一半的果蠅大腦，從而揭示了25,000個神經元的連接。與其他研究人員的合作還導致創建了斑馬鰭和斑馬魚幼蟲大腦部分的連接組。 5月，人類腦組織的1立方毫米的詳細地圖發表在科學上。

這些項目的數據集已被全球成千上萬的研究人員使用，導致數百個已發表的發現。

研究人員在一小部分人腦組織中構建了幾乎每個神經元及其連接的3D圖像。頂部圖像顯示興奮性神經元，以黃色照亮，而底部圖像顯示抑制性神經元，以藍色突出顯示。

Connectomics團隊目前正在與哈佛，普林斯頓和其他機構的合作夥伴合作，以繪製鼠標的海馬 - 負責記憶形成，注意力和空間導航的大腦區域，佔整個鼠標大腦的2-3％。

沒有繪製整個人腦的手段，分析小鼠連接組是實用的下一步。它足夠小，可以可行，並且可以產生適用於人類大腦的見解。哈佛大學分子和細胞生物學教授傑夫·W·利希特曼（Jeff W. Lichtman）說：“當您在電子顯微鏡下檢查小鼠大腦時，它看起來與人腦非常相似。它本質上是一個微型版本。”這就是為什麼小鼠經常用於研究人腦疾病的原因。

小鼠代表了連接組學的最新邊界，但是神經科學家數十年來一直在繪製越來越複雜的大腦。第一個連接組是蠕蟲的大腦，經過16年的工作，於1986年出版。

即使小鼠大腦比人腦小1000倍，但它仍然是一個巨大的技術挑戰。來自單個小鼠腦連接組的數據集以納米分辨率是有史以來最大的生物數據集，估計為20,000-30,000噸。

Viren指出：“將數據獲取不僅是挑戰，而且可以準確處理它是另一個障礙。” “我們的獨特貢獻是開發工具，以突破準確性的界限，並將其應用於越來越大的數據集。”

如果成功的話，連接小組的鼠標腦項目將是科學家首次繪製哺乳動物海馬的一部分，並且是有史以來最大的大腦部分試圖映射的。

Viren總結說：“基本研究非常有價值。” “讓我興奮的是，有一天的前景準確地理解了記憶的形成方式以及導致精神障礙或疾病的原因。但是，要實現這一目標，我們需要以幾十年前就無法想像的方式繼續發展技術。”