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科学家们通过让实验室老鼠观看《矩阵》和《星球大战》建立了迄今为止最大的大脑“连接体”

(2025-04-13 07:42:51)

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科学家们通过让实验室老鼠观看《矩阵》和《星球大战》建立了迄今为止最大的大脑“连接体”

By Kamal Nahas published 5 hours ago

利用先进的捕捉脑细胞的解剖和活动的显微镜，老鼠大脑的一部分被映射并渲染成一个3D图谱，为神经科学创造新的可能性。

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这个重建显示由微米项目捕获的12万个脑细胞中的1000多个，如下所述。每个重建的神经元都是不同的随机颜色，并且神经元的一个子集已经以不同的方式旋绕为辉光，来代表数据集包括来自某些细胞的功能记录的事实。 (Image credit: Allen Institute)

哺乳动物的大脑是一个经由数万亿个神经科学家还没有梳理分开的节点连接的数十亿个细胞的复杂网络。现在，研究人员已经映射了老鼠大脑中跨1立方毫米的部分中的许多脑细胞和连接——大约一粒沙子的大小。

贝勒医学院的神经科学家雅各布·雷默告诉《生活科学》杂志，“一毫米看起来小的，但在那毫米之内有几公里的电线”。雷默是其中10项科学家们详细描述了他们如何构建了这个非凡的大脑映射的新研究中的的资深作者。

雷默是MICrONS联盟的成员，一个来自美国多个研究机构的150多名研究人员的团队。在4月9日发表在《自然》杂志上的一系列论文中，研究人员不仅公布了一种叫连接体的3D神经映射，而且还描述了他们如何用这个数据集来探索大脑的工作机理。

石溪大学的神经科学家莉莉安娜·穆吉卡-帕罗迪在一封电子邮件中告诉《生活科学》杂志，“这种方法在观察神经元做什么和理解神经元如何被连接之间桥接一个基本间隙”。她没有参与这项工作。

大脑映射如何被绘制

研究人员用一只转基因修改的活体实验室小鼠构建了这个连接体以便它的神经元当被激励时辉光。这使研究人员能够当老鼠观看视频和YouTube剪辑时用一个显微镜来检测脑细胞，包括来自《疯狂的麦克斯：狂怒之路》的场景，《黑客帝国》和《星球大战：第二集7》-部队觉醒。

研究人员记录了来自枕叶的一个立方毫米区域中的76000个神经元的大脑活动，枕叶位于大脑的后部，对视觉处理是关键。后来，研究小组提取了老鼠的大脑，并用一台电子显微镜从同一只叶检查了它的解剖特征如细胞形状和连接。

接下来，使用解剖学和辉光细胞图像作为指导，一个机器学习算法追踪了脑细胞和它们的延伸，生成最终的3D映射。这项制图壮举包含20万个细胞和5.23亿个神经元之间的叫突触的连接。

新连接体内的细胞子集的另一个可视化。(Image credit: Allen Institute)

大脑包含各种不同类型的执行不同功能的细胞，包括发送信号的神经元和支持神经元功能的神经胶质细胞。机器学习工具基于细胞的物理特征区分数十种细胞类型之间。

艾伦研究所和神经科学家的两篇论文的资深作者福勒斯特·科尔曼说，这个数据集比取自人类大脑的连接体更大三倍。比整个果蝇大脑的连接体更大40倍，使其成为迄今为止最大的连接体。

雷默说，尽管这个数据集是多密集，但它不完整——一些脑细胞缺失。

连接体还包含不从任何细胞发放出现的孤儿扩展。这可能是因为细胞本身没有被机器学习算法检测到，或者因为扩展被连接到采样区域约束之外的细胞。

雷默说，“需要进行很多校对”，而且大部分的双倍检查必须被科学家手动做。也就是说他的团队开发了一个部分自动化这一细化步骤的软件工具。

这张渲染显示来自视觉皮层第5层的一个抑制性神经元。它被从一个大规模的电子显微镜数据集重建。细胞的输出突触（亮点）是基于它们瞄准另一端的细胞类型被颜色编码（红色或青色）。 (Image credit: Clare Gamlin/Allen Institute)

神经连接的新探究

有句谚语说神经元一起线连放电，这意味着至少跨短距离串联激活的脑细胞更有可能来形成连接。连接体揭示了这种模式对更长运输也适用，跨越1毫米宽的采样块。

科尔曼说，这个连接体还揭示了一些关于所谓的抑制性神经元的新信息——这使其他神经元不太可能放电——实际上关闭激励的神经元中的放电。

科尔曼说，在连接体可利用之前，神经科学家不确定是否抑制性神经元针对特定网络中的特定细胞，而不仅仅影响碰巧接近它们的线路的局部神经元。连接体揭示来自大脑中不同区域的抑制细胞能汇聚到遥远的同一靶细胞上，提示它们的抑制是高度特别的。

在未来更多的洞察可能出自这个连接体。

普林斯顿大学的神经科学博士马克斯·阿拉贡在一封电子邮件中告诉《生活科学》杂志，“作者使与论文相关的数据公开可利用的，这对神经科学界是一个巨大的福音”，并指出其他研究人员现在能利用这些数据来做他们自己的工作。他没有参与这项工作。

穆吉卡-帕罗迪说，“除了揭示大脑如何功能外连接体可以为解决回路功能障碍起一个角色的神经功能障碍提供关键的见解”，例如阿尔茨海默病中斑块的堆积和多发性硬化症中病变的形成往往破坏神经网络。

而且工作不止于此。雷默说，“毫米立方体在一种意义上是巨大的，但它只是老鼠视觉系统的一小部分”。