谷歌發(fā)布史上最高分辨率大腦連接圖

這個新的「連接體」描繪了果蠅大腦中大約萬個神經(jīng)元，這里顯示了其中的一部分

來自谷歌和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的Janelia研究園區(qū)（Janelia ResearchCampus）FlyEM團隊的研究人員，在近日發(fā)布了有史以來最高分辨率的動物大腦連接圖———半腦連接組（hemibrain connectome），這是重建的首個突觸級連接組。

研究人員分享了一個3D模型，該模型追蹤了果蠅大腦中約2.5萬個神經(jīng)元的2000萬個突觸，它們可以被分成數(shù)千種不同的細(xì)胞類型，橫跨大腦的幾個區(qū)域。該模型是連接學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑，它使用詳細(xì)的成像技術(shù)來繪制大腦的物理路徑。此前，只有C. elegans的大腦能被完整地描繪成這樣。半腦連接組覆蓋了果蠅大腦的約1/3，包括蘑菇體和對聯(lián)想學(xué)習(xí)和飛行導(dǎo)航至關(guān)重要的復(fù)雜腦回路;時鐘神經(jīng)元迂回，包括內(nèi)積體也可以揭示睡眠機制相關(guān)原理;此外，根據(jù)現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡圖像數(shù)據(jù)和以前在視葉的部分連接體重建，它還確定了大多數(shù)進(jìn)入中央腦區(qū)域的視葉神經(jīng)元，從而可以分析后續(xù)的視覺處理。

果蠅被公認(rèn)為是被人類研究最為徹底的生物之一，果蠅相關(guān)的研究推動了分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，目前有8個諾貝爾獎歸屬于果蠅的相關(guān)研究。果蠅的重要優(yōu)勢在于其大腦相對較小，更容易作為一個完整的回路來研究。Google在2014年與Janelia建立了合作關(guān)系，專注于研究果蠅大腦數(shù)據(jù)和3D自動化重建。在2019年，他們聯(lián)合劍橋大學(xué)重建了果蠅完整大腦，公開了40萬億像素的圖像，同時還開發(fā)了一個3D 的交互界面“Neuroglancer”。此前，科學(xué)家只能使用人工方法繪制果蠅大腦。

在宣布能夠自動重建果蠅大腦之后，他們表示將繼續(xù)推進(jìn)與FlyEM團隊密切合作，利用“FIB-SEM”技術(shù)獲得的圖像，創(chuàng)建一個高度驗證且詳盡的果蠅大腦的連接組。制作這張連接圖的第一步是將果蠅大腦的各個部分切成20微米厚的碎片，大約是人類頭發(fā)寬度的1/3。然后用掃描電子顯微鏡的電子流轟擊這些大腦切片，使其成像。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由大約50萬億個三維像素（即體素） 組成，通過追蹤每個細(xì)胞路徑的算法對其進(jìn)行處理。盡管谷歌擁有強大的算法能力，它仍然需要大量的人力來檢查軟件的工作。該公司表示，Janelia的科學(xué)家花了兩年時間和數(shù)十萬小時來校對3D 連接圖，使用VR頭盔和定制的3D編輯軟件來驗證這2000萬個化學(xué)突觸的路徑。即使這樣，最終的連接圖也只能是“半腦連接圖”。果蠅的大腦總共有10萬個神經(jīng)元，而人類大腦大約有860億個神經(jīng)元。這離建立一個完整的神經(jīng)通路連接體還很遠(yuǎn)。

在科學(xué)界，大家對連接學(xué)的評價好壞參半。有人認(rèn)為連接學(xué)可以把大腦的物理部分和特定的行為連接起來，但也有人認(rèn)為連接學(xué)發(fā)展至今沒有產(chǎn)生任何重大突破，但是繪制神經(jīng)元圖譜的工作耗費了大量的資源。研究人員稱，由于成像的高分辨率，即使只有一立方毫米的腦組織，也可以產(chǎn)生超過1000TB的數(shù)據(jù)。因此，這次重建整個果蠅的大腦，可想數(shù)據(jù)量有多龐大。用于處理數(shù)據(jù)的，是谷歌數(shù)千個Cloud TPU。

諾丁漢大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Mark Humphries在接受外媒采訪時講到，重建毫無疑問是一個技術(shù)上的奇跡，但是，它本身不會回答緊迫的科學(xué)問題，不過它可能會引出一些有趣的謎團。

這個新的「連接體」描繪了果蠅大腦中大約萬個神經(jīng)元，這里顯示了其中的一部分

來自谷歌和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的Janelia研究園區(qū)（Janelia ResearchCampus）FlyEM團隊的研究人員，在近日發(fā)布了有史以來最高分辨率的動物大腦連接圖———半腦連接組（hemibrain connectome），這是重建的首個突觸級連接組。

研究人員分享了一個3D模型，該模型追蹤了果蠅大腦中約2.5萬個神經(jīng)元的2000萬個突觸，它們可以被分成數(shù)千種不同的細(xì)胞類型，橫跨大腦的幾個區(qū)域。該模型是連接學(xué)領(lǐng)域的一個里程碑，它使用詳細(xì)的成像技術(shù)來繪制大腦的物理路徑。此前，只有C. elegans的大腦能被完整地描繪成這樣。半腦連接組覆蓋了果蠅大腦的約1/3，包括蘑菇體和對聯(lián)想學(xué)習(xí)和飛行導(dǎo)航至關(guān)重要的復(fù)雜腦回路;時鐘神經(jīng)元迂回，包括內(nèi)積體也可以揭示睡眠機制相關(guān)原理;此外，根據(jù)現(xiàn)有的光學(xué)顯微鏡圖像數(shù)據(jù)和以前在視葉的部分連接體重建，它還確定了大多數(shù)進(jìn)入中央腦區(qū)域的視葉神經(jīng)元，從而可以分析后續(xù)的視覺處理。

果蠅被公認(rèn)為是被人類研究最為徹底的生物之一，果蠅相關(guān)的研究推動了分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展，目前有8個諾貝爾獎歸屬于果蠅的相關(guān)研究。果蠅的重要優(yōu)勢在于其大腦相對較小，更容易作為一個完整的回路來研究。Google在2014年與Janelia建立了合作關(guān)系，專注于研究果蠅大腦數(shù)據(jù)和3D自動化重建。在2019年，他們聯(lián)合劍橋大學(xué)重建了果蠅完整大腦，公開了40萬億像素的圖像，同時還開發(fā)了一個3D 的交互界面“Neuroglancer”。此前，科學(xué)家只能使用人工方法繪制果蠅大腦。

在宣布能夠自動重建果蠅大腦之后，他們表示將繼續(xù)推進(jìn)與FlyEM團隊密切合作，利用“FIB-SEM”技術(shù)獲得的圖像，創(chuàng)建一個高度驗證且詳盡的果蠅大腦的連接組。制作這張連接圖的第一步是將果蠅大腦的各個部分切成20微米厚的碎片，大約是人類頭發(fā)寬度的1/3。然后用掃描電子顯微鏡的電子流轟擊這些大腦切片，使其成像。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由大約50萬億個三維像素（即體素） 組成，通過追蹤每個細(xì)胞路徑的算法對其進(jìn)行處理。盡管谷歌擁有強大的算法能力，它仍然需要大量的人力來檢查軟件的工作。該公司表示，Janelia的科學(xué)家花了兩年時間和數(shù)十萬小時來校對3D 連接圖，使用VR頭盔和定制的3D編輯軟件來驗證這2000萬個化學(xué)突觸的路徑。即使這樣，最終的連接圖也只能是“半腦連接圖”。果蠅的大腦總共有10萬個神經(jīng)元，而人類大腦大約有860億個神經(jīng)元。這離建立一個完整的神經(jīng)通路連接體還很遠(yuǎn)。

在科學(xué)界，大家對連接學(xué)的評價好壞參半。有人認(rèn)為連接學(xué)可以把大腦的物理部分和特定的行為連接起來，但也有人認(rèn)為連接學(xué)發(fā)展至今沒有產(chǎn)生任何重大突破，但是繪制神經(jīng)元圖譜的工作耗費了大量的資源。研究人員稱，由于成像的高分辨率，即使只有一立方毫米的腦組織，也可以產(chǎn)生超過1000TB的數(shù)據(jù)。因此，這次重建整個果蠅的大腦，可想數(shù)據(jù)量有多龐大。用于處理數(shù)據(jù)的，是谷歌數(shù)千個Cloud TPU。

諾丁漢大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Mark Humphries在接受外媒采訪時講到，重建毫無疑問是一個技術(shù)上的奇跡，但是，它本身不會回答緊迫的科學(xué)問題，不過它可能會引出一些有趣的謎團。