《Science》揭開人腦隱藏的復雜性

　　單個神經元有5600個神經纖維與之相連。

　　研究人員使用高分辨率電子顯微鏡對一小塊人類腦組織進行成像，生成了超過57,000個細胞和近1.5億個突觸的3D地圖。他們的發現揭示了細胞類型和連接的復雜細節，突出了大腦的復雜性，推動了連接組學領域的發展。

　　研究人員繪制了一幅高分辨率的地圖，顯示了人類大腦中一立方毫米的所有細胞和連接。

　　這一結果揭示了以前未見的大腦結構細節，并為進一步研究提供了資源。

　　要想充分了解人類大腦的工作原理，就需要了解構成大腦的各種細胞之間的關系。這需要在納米尺度上可視化大腦結構，以便看到神經元之間的聯系。

　　成像技術和研究方法

　　由哈佛大學的Jeff Lichtman博士和谷歌研究院的Viren Jain博士領導的一個研究小組，使用電子顯微鏡(EM)對一個立方毫米大小的人類腦組織進行了高分辨率成像。作為癲癇手術的一部分，該組織從患者的大腦皮層中取出。

　　研究小組首先將組織切成5000多片，或切片，然后用電子顯微鏡對每一片切片進行成像。這產生了大約1.4拍字節(1400太字節)的數據。利用這些數據，研究人員生成了樣本中幾乎每個細胞的3D重建。這項由美國國立衛生研究院資助的研究結果發表在《Science》雜志上。

　　詳細的發現和細胞分析

　　對樣本中單個細胞的分析顯示，總共有57,000多個細胞。其中大部分要么是發送電信號的神經元，要么是為神經元提供各種支持功能的神經膠質。神經膠質細胞的數量是神經元的2比1。最常見的膠質細胞是少突膠質細胞，它為神經元提供結構支持和電絕緣。一立方毫米的樣本還含有約230毫米的血管。

　　重建揭示了以前從未見過的結構細節。研究人員分析了一種被稱為三角細胞的神經元，這種神經元位于大腦皮層的最深處。它們中的許多都采用了兩種取向中的一種，這兩種取向互為鏡像。這個組織的重要性仍不得而知。

　　突觸和連接

　　該團隊使用機器學習來識別突觸——信號從一個細胞傳遞到另一個細胞的連接點。他們發現了近1.5億個突觸。幾乎所有的神經元都只與給定的目標細胞形成一個突觸。但有一小部分形成了兩個或更多的突觸，指向同一個目標。

　　至少在一個案例中，超過50個突觸連接著一對細胞。雖然很罕見，但細胞之間有7個或更多突觸的連接比偶然預期的要常見得多。這表明這些強連接具有一定的功能意義。

　　連接組學和大腦的復雜性

　　這些結果說明了大腦在細胞層面上是多么復雜。他們還展示了連接組學的價值，連接組學是一門生成腦細胞之間連接的綜合圖譜的科學，用于理解大腦功能。

　　“‘碎片’這個詞是諷刺的，”Lichtman說。“對大多數人來說，1太字節是巨大的，但人腦的一小部分——只是人腦的一小部分——仍然是數千太字節。”

　　該團隊已經向公眾開放了他們的數據集。他們還提供了各種軟件工具來幫助檢查大腦地圖。希望這個團隊和其他團隊對這些數據的進一步研究，將對人類大腦的運作產生新的見解。

　　“如果沒有研究參與者的慷慨捐贈，以及神經科學家、計算機科學家和工程師之間的重要合作，這一令人難以置信的進步——從大腦中捕獲和處理超過1000太字節數據的能力——是不可能實現的，”美國國立衛生研究院大腦計劃主任John Ngai博士說。“這些合作對于我們建立人類大腦的完整地圖的目標至關重要，這樣我們就可以將治療方法更接近臨床。”

　　參考文獻

　　A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution