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复杂详细的 1400TB 3D 大脑图

复杂详细的 1400TB 3D 大脑图

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六层兴奋性神经元按深度进行颜色编码。 图片来源:Google 研究和 Lichtman 实验室

哈佛大学和谷歌之间的合作在脑科学领域取得了突破,生成了人脑一小部分的大规模 3D 地图,揭示了复杂的神经相互作用,并为绘制整个小鼠大脑的地图奠定了基础。

一立方毫米的脑组织看起来可能并不多。 但考虑到这个小方块包含 57,000 个细胞、230 毫米的血管和 1.5 亿个突触,总计 1,400 TB 的数据,哈佛大学和谷歌的研究人员刚刚完成了一项巨大的成就。

哈佛大学的一个团队由 Jeff Lichtman、Jeremy R. 诺尔斯分子和细胞生物学教授兼新任命的理学院院长与谷歌研究人员合作,创建了迄今为止最大的突触分辨率和人类大脑部分的 3D 重建。 它生动地详细展示了人类颞叶皮层的每个细胞及其神经连接网络,该区域的大小约为一粒米的一半。

神经科学的技术进步

令人印象深刻的壮举,发表在杂志上 科学是与谷歌研究院科学家近 10 年合作的最新成果,他们将 Lichtman 的电子显微镜成像与人工智能算法相结合,对颜色进行编码并重建哺乳动物大脑的高度复杂的线路。 该论文的三位共同作者是前哈佛大学博士后研究员 Alexander Shapson Kuo; 谷歌研究院的 Michal Januszewski 和哈佛大学博士后研究员 Daniel Berger。

合作的最终目标,支持 美国国立卫生研究院脑计划的目标是创建整个小鼠大脑神经线路的高分辨率图,这将需要大约 1,000 倍于人类皮质 1 立方毫米部分产生的数据量。

来自最新大脑图谱的见解

“‘部分’这个词很荒谬,”利奇曼说。 “对于大多数人来说,1 TB 已经很大了,但人脑的一部分——只是人脑的一小部分——仍然有数千 TB。”

《科学》杂志上的最新地图包含了前所未见的大脑结构细节,包括与多达 50 个突触相连的罕见但强大的轴突集合。 研究小组还观察到组织异常,例如少量轴突形成大规模漩涡。 由于他们的样本来自癫痫患者,因此他们不确定这些不寻常的结构是病理性的还是仅仅是罕见的。

通信科学领域

利希特曼的领域是“连接科学”,它与基因组学非常相似,旨在创建大脑结构的全面目录,直至单个细胞和线路。 这些完整的地图将为我们对大脑功能和疾病的新见解指明道路,而科学家们对此仍然知之甚少。

谷歌的尖端人工智能算法可以在三个维度上重建和绘制脑组织。 该团队还开发了一套公开可用的工具,研究人员可以使用它们来检查和注释神经网络。

未来的趋势

谷歌研究合作者 Viren Jain 表示:“鉴于该项目投入了大量资金,以一种让其他人现在都能从中受益的方式展示结果非常重要。”

接下来,研究小组将研究小鼠海马体的形成,这对于神经科学来说非常重要,因为它在记忆和神经系统疾病中发挥着重要作用。

参考文献:“Petavoxel 部分重建的人类大脑皮层 纳米级 《决议》 作者:Alexander Shapson Kuo、Michal Januszewski、Daniel R. Berger、Art Pope、Yuelong Wu、Tim Blakely、Richard L. Schalek、Peter H. Li、Shuhong Wang、Jeremy Maiten Shepherd、Neha Karlopia、Sven Durkenwald、Evelina Sjostedt , 拉勒米·莱维特, 李东熙, 雅各布·特鲁德尔, 福雷斯特·科尔曼, 卢克·贝利, 安杰里卡·菲茨莫里斯, 鲁欣·卡尔, 本杰明·菲尔德, 汉克·吴, 朱利安·瓦格纳-卡里娜, 大卫·阿利亚, 刘若英, 林祖迪, 魏东来, 汉斯皮特·菲斯特, 阿迪·法勒以及 Viren Jane 和 Jeff W. Lichtman,2024 年 5 月 10 日, 科学
doi:10.1126/science.adk4858

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