一立方毫米奇迹！Science | 科学家解锁人脑微观宇宙，新型人类大脑图谱包含此前从未见过的详细结构细节

一立方毫米的脑组织听起来可能不多，但在这一立方毫米的微小空间里，包含了5.7万个细胞、230毫米血管和1.5亿个突触，总计1400万亿字节(terabytes)的数据，来自哈佛大学和谷歌公示的科学家们就完成了这一创举，相关研究成果“A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution”发表在了Science杂志上。

文章中，研究人员通过联合研究创建了迄今为止最大的突触分辨率、人类大脑的3D重建结构，从而生动详细地展示了仅有半个米粒大小的人类颞叶皮层中每个细胞及其神经连接网络的细节信息。研究人员将Lichtman电镜成像技术与人工智能算法相结合，对哺乳动物大脑中较为复杂的线路布局进行色彩编码和重建。

研究人员的最终目标是绘制出小鼠全大脑神经连接线路的高分辨率图谱，其数据量相当于他们从这一立方毫米的人类大脑皮层碎片中所获得数据量的1000倍。

Lichtman教授表示，“碎片”这个词语或许具有一定的讽刺性，但对于大多数人而言，1万亿字节是非常巨大的，但人脑的一部分碎片（仅仅是人类大脑中很小很小的一部分）就含有数千万亿字节的信息量。

新型人类大脑图谱或包含此前从未见过的详细结构细节

图片来源：Science (2024). DOI:10.1126/science.adk4858

研究人员绘制出的最新图谱包含了此前从未见过的大脑结构细节，包含了一组罕见但功能强大的轴突，其由多达50个突触连接了起来，此外，研究人员还注意到了组织中的奇怪现象，比如少量的轴突能形成广泛的螺旋，由于研究人员所研究的样本来自一位癫痫症患者，因此他们并不确定这种不寻常的形成是病态的还是单纯罕见的。

研究者Lichtman从事的研究领域是“连接组学”（connectomics），其类似于基因组学，主要寻找并创建大脑结构的综合性目录，直至单一的细胞和线路连接。这些完整的图谱就能为科学家们知之甚少的大脑功能和疾病研究提供新的见解和思路。谷歌最先进的AI算法能在三维空间中重建并绘制脑组织图谱，同时研究人员还开发了一套公开可用的工具来帮助他们分析并注释这些连接组（connectome）。

考虑到这个研究项目的巨大投资，因此以一种其他任何人都能从中受益的方式来展示相关研究结果或许是非常重要的。下一步研究人员将会研究小鼠海马体的形成，这对于神经科学家们理解其在记忆和神经性疾病发生中所扮演的关键角色非常重要。

综上，本文研究为揭示人类连接组学方法的可行性提供了相关证据，并能帮助深入揭示正常和紊乱人类大脑功能背后的物理机制，研究人员希望能通过提供对所有数据和相关工具的免费访问来加速这项研究的进展速度。

参考文献：

ALEXANDER SHAPSON-COE,MICHAŁ JANUSZEWSKI,DANIEL R. BERGER, et al. A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk4858