创建每个神经元的连接图

该项目旨在创建每个神经连接的第一个综合图表。

　　

人类的大脑是一条错综复杂的高速公路，由近1000亿个神经元发出，所有这些神经元都通过数万亿个被称为突触的连接进行交流。“令人沮丧的复杂，”哈佛大学神经学家Jeff Lichtman称其为。了解这条高速公路的唯一方法就是绘制地图。

Jeremy R. Knowles的分子和细胞生物学教授，他花了几十年的时间来绘制这样的地图，并在此过程中开创了一个被称为“连接组学”的领域。他的最终目标是绘制出整个哺乳动物的大脑图谱，解释每一个神经连接，即所谓的“连接组”。

现在，Lichtman和他的同事们正着手在这一旅程中迈出关键的新一步，他们试图以前所未有的清晰度和分辨率从鼠大脑中捕获突触级的连接组数据。

Lichtman和包括普林斯顿大学、麻省理工学院、剑桥大学和约翰霍普金斯大学在内的合作伙伴已经从美国国立卫生研究院获得了3000万美元，并从哈佛大学和普林斯顿大学获得了另外300万美元，用于首次重建鼠大脑内的所有神经线路。他们将首先对鼠海马体中一个10立方毫米的区域进行成像，以证明这一壮举是可能的。海马体是大脑中负责记忆巩固、空间导航和其他复杂任务的部分。

就像人类基因组计划(Human Genome Project)对每个人类基因及其独特的DNA序列进行编目一样，Lichtman自2004年来到哈佛大学以来一直在研究的连接组(connectome)，将是一张大脑中每个神经连接的综合图表。

创建人类大脑的连接组可能会带来诊断和治疗大脑疾病的新方法，从自闭症到精神分裂症。科学家们怀疑这些疾病是“连接病”——目前可用的大脑扫描无法检测到的细微的错误连接。

“连接组学是唯一的途径，”Lichtman说，他是哈佛大学脑科学中心的成员。“如果我们达到了对整个鼠大脑进行研究成为常规的程度，你可以考虑在自闭症的动物模型中进行研究。这种对大脑的理解目前还不存在。我们知道行为的外在表现。我们知道一些分子是被扰动的。但在这中间，那些线路图，直到现在，还没办法看到。现在有办法了。”

“目前的技术要么缺乏分辨率，要么缺乏绘制整个大脑大区域的能力，而这些信息对于解开这个令人难以置信的器官的奥秘至关重要，”John Ngai说。“经过科学界多年的精心规划和投入，‘大脑连接’——这是我们的第三个大规模变革性项目——旨在开发所需的工具，以前所未有的细节和规模获得全脑连接图。”

当然，鼠的大脑比人类的小得多，但当观察单个神经元、突触囊泡和神经胶质细胞时，“你看不出它们之间的区别，”Lichtman说。“在细胞和突触的层面上，所有哺乳动物的大脑基本上都是一样的。”

考虑到计算和数据处理的最新进展，以及Lichtman和其他人(包括分子和细胞生物学的Florian Engert教授)对斑马鱼和果蝇大脑的先前工作，绘制小鼠大脑图谱变得更加可行，并将作为人类大脑成像的早期试验场。Lichtman和他的同事在2020年发表的一篇题为《The Mind of a Mouse》的评论文章中敦促大家共同努力，实现鼠大脑连接组的崇高目标。

研究人员将应用Lichtman及其同事在几十年的时间里发明的生物成像技术来实现他们的目标。对于美国国立卫生研究院的项目，他们将采用双层系统。首先，两台91束扫描电子显微镜，一台在哈佛，一台在普林斯顿，将捕捉到小鼠海马结构的薄片图像。然后，每个部分的表面将被离子束蚀刻掉，每次只有几纳米，成像过程将重复进行，直到整个体积被观察到。谷歌研究院(Google Research)的一个团队将通过机器学习计算提取出最终的接线图。

该团队希望为他们10平方毫米的小鼠大脑区域产生大约10,000太字节的数据;整个鼠大脑产生的数据量是它的50倍。在他们五年项目的前半段，该团队预计每天将产生多达50tb的数据。

过去几年里，Lichtman的团队一直在与谷歌合作，研究图像处理技术，使他们能够快速理解大量数据。由联合研究员Viren Jain领导的工程师们将对这些大脑图像应用人工智能算法，对神经细胞和突触进行分类和颜色编码。谷歌也将帮助公众分享这个巨大的大脑地图。

谷歌的Jain说:“我们计划利用我们在大规模电子显微镜数据的计算重建和分析方面的经验，以及谷歌高度可扩展的数据处理基础设施，使鼠标连接组学达到前所未有的规模。我们与Jeff的实验室密切合作了五年多，这种合作在推动数据密集型神经科学的前沿方面取得了巨大成功。”