哈佛大学和谷歌合作创建最大的人脑连接组3D地图

在一项突破性的合作中，哈佛大学和谷歌的研究人员创建了迄今为止最大的突触分辨率的人脑3D重建。一立方毫米的脑组织看似很小，却含有惊人的57,000个细胞、230毫米的血管和1.5亿个突触，总计1,400TB的数据。

该项目由杰里米·R·诺尔斯(JeremyR.Knowles)分子和细胞生物学教授、哈佛大学新任命的理学院院长杰夫·利希特曼(JeffLichtman)领导，将利希特曼的电子显微镜成像与谷歌的人工智能算法相结合，对哺乳动物大脑极其复杂的线路进行颜色编码和重建。该论文的三位共同第一作者是前哈佛大学博士后研究员AlexanderShapson-Coe、谷歌研究院的MichałJanuszewski和哈佛大学博士后研究员DanielBerger。

绘制大脑图谱：一项艰巨的任务

在美国国立卫生研究院大脑计划的支持下，该团队的最终目标是创建整个小鼠大脑神经线路的高分辨率图，这将需要他们刚刚从人类皮层碎片中产生的数据量的约1,000倍。“‘碎片’这个词很讽刺，”利奇曼说。“对于大多数人来说，1TB是巨大的，但人类大脑的一个片段——只是人类大脑中极小的一部分——仍然是数千TB。”

利希特曼的领域“连接组学”旨在创建大脑结构的全面目录，详细到单个细胞和线路。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。

发现稀有结构和奇异现象

发表在《科学》杂志上的最新地图揭示了前所未见的大脑结构细节，包括一组罕见但强大的轴突，由多达50个突触连接。研究小组还注意到组织中的奇怪现象，例如少数轴突形成了广泛的螺旋。由于他们的样本是从癫痫患者身上采集的，因此他们不确定这种不寻常的结构是病理性的还是只是罕见。

谷歌最先进的人工智能算法可以在三个维度上重建和绘制脑组织图。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连接组。谷歌研究合作者VirenJain表示：“鉴于该项目投入巨额资金，以其他人现在都可以参与并从中受益的方式展示结果非常重要。”

接下来，该团队将解决小鼠海马体的形成问题，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。分析显示，根据性别、年龄、出生年份、成就年龄和国籍，跑进4分钟一英里的运动员的平均寿命比他们的预期预期寿命多了近5年。

研究人员承认，他们没有参与研究的200名运动员的终生运动习惯或其他健康行为的信息，因此无法确定终生运动剂量与寿命之间的精确关系。尽管如此，他们表示，“这一发现挑战了U形运动假说的上限(因为它与长寿有关)，并且再次重申了运动对寿命的益处，即使是达到精英表现所需的训练水平”。

研究人员利用超过1.4PB的电子显微镜(EM)成像数据，对人类大脑皮层的毫米级片段进行了纳米级分辨率的重建，为脑组织在细胞上、细胞和细胞层面的结构组织提供了前所未有的视角。和亚细胞水平。人脑是一个极其复杂的器官，迄今为止，人们对其细胞微观结构(包括其支持的突触和神经回路)知之甚少。众所周知，这些回路的破坏会导致多种脑部疾病。

夏普森-科等人。生成了立方毫米样本中几乎每个细胞和过程的三维重建，并开发了一个免费工具来可视化和分析庞大的数据集。利用这些数据，作者发现了人类颞叶皮层以前未被充分认识的方面，包括神经胶质细胞数量与神经元数量不成比例，以及存在罕见但强大的轴突输入，其中包含多达50个突触。Shapson-Coe等人表示：“利用这一资源进行进一步的研究可能会给人类大脑的奥秘带来有价值的见解。”写。