立方毫米组织的精确 3D 地图详细描绘了小鼠大脑中 84,000 个神经元的形态、功能和活动。 艾伦研究所 / Tyler Sloan、Quorumetrix
科学家利用一粒沙子大小的老鼠脑组织，绘制出了第一张精确的哺乳动物脑三维地图。
该图详细描绘了8.4万个神经元的形态、功能和活动。这些神经元的分支结构沿着一条长臂（称为轴突）传递信息，然后通过超过5亿个突触以及20万个脑细胞。这块小小的组织包含3.4英里（5.4公里）长的神经元线路——几乎是纽约市中央公园长度的1.5倍。
这项工作是艾伦脑科学研究所、贝勒医学院和普林斯顿大学为首的 22 家机构的 150 名科学家近十年研究的成果。
艾伦研究所数据和技术副主任福雷斯特·科尔曼博士在该组织分享的一段视频中说道： “整个项目的一个副产品向我们展示了大脑是多么的美丽。”
他补充道：“只要观察这些神经元，你就会看到它们的细节和规模，让你带着敬畏之心欣赏大脑，就像你抬头仰望遥远星系的照片一样。”
这张令人震惊的地图仅占小鼠大脑总体积的 1/500，但研究小组最终获得了 1.6PB 的数据——这一惊人的数据量相当于 22 年不间断的高清视频，该项目名为“皮质网络机器智能”（MICrONS）计划，已经将这些数据公开。广告反馈
研究人员在 4 月 9 日发表在《自然》杂志上的 几篇论文中描述了这项工作。
艾伦脑科学研究所高级研究员 Clay Reid 博士（右）和华盛顿大学博士生 Leila Elabbady 正在检查 MICrONS 项目的数据。 艾伦研究所供图
建立大脑活动
为了绘制这张图，休斯顿贝勒医学院的科学家们首先使用专门的显微镜在几天内记录了实验室小鼠视觉皮层（动物处理所看到的东西的地方）中 1 立方毫米组织部分的大脑活动。
研究人员确保小鼠在成像过程中保持清醒并受到视觉刺激，方法是让小鼠在跑步机上奔跑，并观看《黑客帝国》和《疯狂的麦克斯：狂暴之路》等多部电影的10秒钟场景。据普林斯顿大学的新闻稿称，YouTube上摩托车越野赛、雪橇和定点跳伞等极限运动的片段也在观看范围之内。
动画显示了小鼠大脑中视觉皮层单个柱上的全部 1,800 个细胞。 Quorumetrix Studio 的 Tyler Sloan
接下来，在对小鼠实施安乐死后，西雅图艾伦研究所的研究人员取出了同样大小的大脑，将其切成超过 28,000 层，每层宽度仅为人类头发的 1/400，并沿途拍摄了每层大脑切片的图像。之后，他们将这些图像重建成一幅合成图像。
“这花了我们大约 12 天 12 夜的时间，团队轮班工作；这并不是因为我们手工切割，而是因为它是一台自动化的机器，”艾伦研究所的副研究员 Nuno Maçarico da Costa 博士说。
“如果我们预计会连续损失多个区域，就需要随时停下来。”达科斯塔表示，如果发生这种情况，实验将不得不从头开始，并补充说整个过程非常“紧张”。
随后，新泽西州普林斯顿大学的一个团队部署了机器学习和人工智能工具，通过切片追踪每个神经元的轮廓，并对神经元进行着色，使其单独发光，这个过程被称为“分割”。人工智能生成的信息由参与的科学家进行验证或校对，这一过程仍在进行中。
这项工作最终形成了科学家对小鼠大脑“连接组”的统一看法，它显示了小鼠大脑特定部分的组织方式，并深入了解了不同类型的细胞如何协同工作。
普林斯顿大学神经科学 Evnin 教授兼计算机科学教授 Sebastian Seung 博士说：“连接组是脑科学数字化转型的开始。”
他在新闻稿中表示：“只需敲几下键盘，你就能搜索信息并在几秒钟内获得结果。以前，有些信息可能需要整篇博士论文才能获得。这就是数字化转型的力量。”
艾伦脑科学研究所副研究员 Nuno Maçarico da Costa 博士在电子显微镜实验室工作。 艾伦研究所供图
不可能的挑战？
长期以来，以这种方式绘制大脑图谱一直被认为是一项不可能完成的挑战。因描述DNA结构而获得诺贝尔奖的分子生物学家弗朗西斯·克里克曾表示，神经科学家永远无法对大脑有如此细致的了解。
1979 年， 他在《科学美国人》上写道：“要求不可能的事情是没有用的，比如说，一立方毫米脑组织的精确接线图以及所有神经元的放电方式。”
小鼠大脑“连接组”建立在对更小的生物进行类似研究的基础上：线虫 C. elegans的连接组于 2019 年完成，科学家于 2024 年公布了果蝇大脑所有神经元的图谱。
研究人员表示，1立方毫米的小鼠大脑大约比果蝇完整的大脑大20倍，而且复杂得多。尽管如此，他们的目标是在不久的将来绘制出小鼠大脑的完整连接组图。
“我认为目前的答案是否定的，这不可行，但我认为每个人都对如何突破这些障碍有着清晰的想法。我们希望在三四年后，我们可以说，是的，这是可能的。”科尔曼告诉CNN。
然而，他表示，以类似的突触分辨率绘制人脑连接组图将是一项极其艰巨的任务。“人脑比小鼠大脑大1500倍左右，因此这会带来一系列技术和伦理障碍，”他说。
然而，艾伦研究所脑科学高级研究员克莱·里德博士补充说，即使不是突触连接，也有可能追踪整个人脑的轴突。
“在所有连接层面上重建整个人类大脑的前景是遥远的未来的事情。”
研究阿尔茨海默症的新方法
哈佛大学分子与细胞生物学系的助理研究员玛丽拉·佩特科娃博士和博士后研究员格雷戈尔·舒克内希特博士表示，研究大脑新皮质尤其有趣，因为正是这个区域将哺乳动物的大脑与其他脊椎动物的大脑区分开来。佩特科娃和舒克内希特并未参与小鼠大脑图谱的绘制。
他们在与该研究同时发表的 一篇文章中写道： “研究人员之所以关注这个区域，是因为它通常被认为是高级认知的中心，在感觉知觉、语言处理、计划和决策中发挥着关键作用。”
这张 3D 地图的渲染详细描绘了超过 5 亿个突触。
“值得注意的是，这些看似不同的功能是通过一个蓝图实现的，这个蓝图经过一些修改后可以在所有皮质区域和所有哺乳动物中找到。”
实验室小鼠已被广泛用于了解人类疾病，更好地了解小鼠大脑的形态和功能将为研究阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症和精神分裂症等涉及神经通讯中断的人类大脑疾病提供新的可能性。
“如果你的收音机坏了，而且你有电路图，你就能更好地修理它，”达科斯塔在新闻稿中说。“我们正在描述一种谷歌地图，或者说是这粒沙子的蓝图。将来，我们可以用它来比较健康小鼠和疾病模型小鼠的大脑连接。”