鼠標腦研究增強了對人類思想的理解

Google研究人員剛剛揭露了一張極為詳細的人腦地圖，聚焦於一個微小但重要的部分：僅1立方毫米的大腦組織，大約是半粒米的大小。這張地圖需要驚人的1.4拍字節數據來編碼，展示了單個神經元及其複雜連接的驚人清晰度。

儘管這只是大腦的一小部分，該地圖已帶來一些令人震驚的發現。「例如，我們注意到一些神經纖維扭曲成這些巨大的結，」Google研究科學家維倫·傑恩說。「我們完全不知道為什麼會這樣——這是前所未見的現象。」

現在，維倫和他的團隊正將焦點轉向老鼠的大腦，原因引人注目。這些小型哺乳動物可能掌握了解開我們自身心智最深奧謎團的鑰匙。例如：我們如何儲存和檢索記憶？我們如何辨認物體和面孔？為什麼我們需要那麼多睡眠？以及在阿茲海默症等大腦疾病中發生了什麼故障？

「我們缺乏這些問題答案的主要原因是，我們仍然缺少研究大腦的關鍵數據，」維倫解釋道。

人腦擁有860億個神經元和超過100萬億個突觸，是我們思想、情感、運動和與世界互動的複雜機器。通過繪製這些神經連接，或稱「連接體」，我們可以洞察大腦如何運作以及為什麼有時會失靈。

在突觸層級創建詳細地圖絕非易事；它需要以奈米分辨率成像大腦並處理龐大的數據量。這是一個技術挑戰，需要在成像、AI算法和數據管理工具上不斷創新。因此，十年前，Google研究成立了其連接體學團隊。

在過去十年中，該團隊在開發技術以更有效處理、分析和共享數據方面取得了重大進展，大幅加速了我們對大腦的理解。例如，他們引入了洪水填充網絡，利用機器學習自動追蹤大腦圖像中的神經元，消除了手動著色的需要。他們還開發了SegCLR算法，自動識別網絡中細胞和細胞類型的不同部分。此外，他們創建了TensorStore和Neuroglancer等軟件，幫助存儲、處理和可視化大型多維圖像和體視圖。

然而，繪製整個人腦連接體仍是一個遙遠的目標。這需要分析高達一澤字節的數據——十億太字節——目前超出了我們的技術範圍。「現在繪製整個人腦需要數十億美元和數百年時間，」維倫承認。

因此，研究人員專注於繪製較小動物大腦的較大部分或較大動物大腦的較小部分。2020年，連接體學團隊成功繪製了果蠅大腦的一半，揭示了25,000個神經元的連接。與其他研究人員的合作還促成了斑馬雀和斑馬魚幼蟲大腦部分的連接體創建。5月，1立方毫米人腦組織的詳細地圖在《科學》期刊上發表。

這些項目的數據集已被全球數千名研究人員使用，帶來了數百項已發表的發現。

研究人員構建了人腦組織一小塊中幾乎每個神經元及其連接的3D圖像。上圖顯示興奮性神經元，以黃色高亮顯示，而下圖顯示抑制性神經元，以藍色高亮顯示。

連接體學團隊目前正與哈佛、普林斯頓等機構的合作夥伴合作，繪製老鼠海馬體——負責記憶形成、注意力和空間導航的大腦區域，約占整個老鼠大腦的2-3%。

在無法繪製整個人腦的情況下，分析老鼠連接體是一個實際的下一步。它足夠小，具可行性，且可能產生適用於人腦的見解。「當你在電子顯微鏡下觀察老鼠大腦時，它看起來與人腦驚人地相似。本質上是一個迷你版本，」哈佛分子與細胞生物學教授傑夫·W·利希特曼說。這就是為什麼老鼠常用於研究人類大腦疾病的原因。

老鼠代表了連接體學的最新前沿，但神經科學家數十年來一直在繪製越來越複雜的大腦。第一個連接體是1986年發表的蠕蟲大腦，歷經16年完成。

儘管老鼠大腦比人腦小1000倍，繪製它仍然是一個艱鉅的技術挑戰。單個老鼠大腦連接體在奈米分辨率的數據集可能是迄今最大的生物數據集，估計為20,000-30,000太字節。

「不僅獲取數據是一個挑戰，存儲和準確處理它又是另一個障礙，」維倫指出。「我們的獨特貢獻在於開發了推動準確性邊界的工具，並將其應用於越來越大的數據集。」

如果成功，連接體學團隊的老鼠大腦項目將是科學家首次繪製哺乳動物海馬體部分，也是迄今嘗試繪製的最大大腦部分。

「基礎研究極具價值，」維倫總結道。「令我興奮的是，有朝一日能夠精確理解記憶如何形成以及精神障礙或疾病的原因。但要實現這一點，我們需要以幾十年前無法想像的方式繼續推進技術。」