超20萬個細胞，首個小鼠局部大腦聯(lián)接圖譜公布

MICRONS項目中重建的部分腦細胞（神經(jīng)元 + 神經(jīng)膠質(zhì)細胞）的子集。Forrest Collman/Allen Institute

4月9日，位于美國西雅圖的艾倫腦科學(xué)研究所（簡稱“艾倫研究所”）發(fā)布消息稱，科學(xué)家完成迄今為止最大的大腦聯(lián)接和功能圖譜——皮層網(wǎng)絡(luò)機器智能 (MICrONS) 項目，并稱該項目被認為是有史以來最復(fù)雜的神經(jīng)科學(xué)實驗。

10項相關(guān)研究成果于同一天在《自然》系列期刊上在線發(fā)表。相關(guān)新聞與觀點文章稱，MICrONS項目是“史上最全面的將哺乳動物腦結(jié)構(gòu)與神經(jīng)活動聯(lián)系起來的數(shù)據(jù)集。”

實際上，這些研究聚焦于小鼠大腦中僅1立方毫米（約相當(dāng)于一粒奇亞籽大小）的空間組織。

有評論稱，雖然僅代表大腦的很小一部分，但這一高分辨率的聯(lián)接圖譜有助于描繪大腦的組織方式以及不同類型的細胞如何協(xié)同工作。

9日，未參與MICrONS研究項目的中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員杜久林向澎湃科技評論稱，這一系列杰出工作均基于美國MICrONS項目2021年前發(fā)布的1立方毫米大腦視皮層的電鏡數(shù)據(jù)。1立方毫米相當(dāng)于小鼠大腦的1/1000。鑒于神經(jīng)聯(lián)接多源于遠程投射，1立方毫米腦區(qū)內(nèi)重構(gòu)的神經(jīng)聯(lián)接大多無法追蹤到對應(yīng)的突觸前或突觸后神經(jīng)元。即便如此，這些數(shù)據(jù)的一個重要價值是用來“磨刀”——把電鏡數(shù)據(jù)的重構(gòu)、分析等方法摸索出來、純熟起來，用以推進美國“腦計劃”2期的重點項目——在未來十年內(nèi)，完成一個小鼠完整全腦的神經(jīng)聯(lián)接圖譜。

杜久林研究員介紹，科學(xué)界仍在期盼第一份脊椎動物的全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜的出爐。他領(lǐng)導(dǎo)的課題組和中國科學(xué)院自動化研究所韓華研究團隊自2018年開始通力合作，聚焦脊椎動物斑馬魚的全腦神經(jīng)聯(lián)接圖譜。斑馬魚的全腦大小在1立方毫米左右，含約10萬個神經(jīng)元、億級神經(jīng)聯(lián)接，其優(yōu)勢在于包括全腦所有腦區(qū)、所有神經(jīng)元之間的聯(lián)接，為從全腦尺度解析脊椎動物大腦的神經(jīng)聯(lián)接架構(gòu)和組織規(guī)律提供了契機。

艾倫研究所發(fā)布的前述消息稱，通過一塊不大于一粒沙子的微小組織樣本，科學(xué)家們已經(jīng)接近曾經(jīng)被認為無法實現(xiàn)的目標(biāo)：構(gòu)建部分大腦完整功能的接線圖。1979 年，著名分子生物學(xué)家弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 表示，“要為 1 立方毫米的大腦組織及其所有神經(jīng)元的放電方式創(chuàng)建精確的接線圖是不可能的”。但在過去七年里，一支由 150 多名神經(jīng)科學(xué)家和研究人員組成的全球團隊讓這一目標(biāo)更接近現(xiàn)實。 

美國貝勒醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家首先使用專門的顯微鏡記錄了小鼠在跑步機上跑步和觀看YouTube視頻時視覺皮層一立方毫米區(qū)域的大腦活動。隨后，艾倫研究所的研究人員將同一立方毫米的大腦組織切成25,000多層，每層厚度為人類頭發(fā)的1/400，并使用高通量電子顯微鏡對每片大腦拍攝高分辨率照片。最后，普林斯頓大學(xué)的研究團隊使用人工智能和機器學(xué)習(xí)將細胞和聯(lián)接重建為3D圖形。結(jié)合大腦活動記錄，他們繪制出了迄今為止最大的大腦接線圖和功能圖，其中包含超過200,000個細胞、約4公里長的軸突（延伸至其他細胞的分支）和5.23 億個突觸（細胞之間的聯(lián)接點）。 

小鼠視覺皮層與其他哺乳動物（包括人類）有不少相似之處，因而是一個有趣的研究對象，但這只是大腦的一個區(qū)域，而且還是很小的一部分。但作者指出，“盡管存在這些局限性，這項工作仍標(biāo)志著重大的進步，為學(xué)界未來的神經(jīng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了寶貴的資源。”研究更完整回路需要更廣泛、更全面的圖譜、甚或全腦聯(lián)接圖譜，而這需要聯(lián)接組學(xué)領(lǐng)域工具和方法的進步。