上周二,Google和Harvard团队发布了一个复杂的每个细胞和人类大脑的立方毫米的连接。

映射区域包括脑皮质的各个层和细胞类型,与高级认知相关的脑组织区域,例如思维,规划和语言。根据谷歌,它是迄今为止这种细节水平的最大脑地图,它是在线的科学家(和我们其他人)免费提供。(真的。到这里。漫步。)

“The human brain is an immensely complex network of brain cells which is responsible for all human behavior, but until now, we haven’t been able to completely map these connections within even a small region of the brain,” said Dr. Alexander Shapson-Coe, a postdoctoral fellow at Harvard’s Lichtman Lab and lead author of a预印纸关于工作

为了制造地图,将捐赠组织切成5,300个部分,每个30纳米厚,并以4纳米的分辨率用扫描电子显微镜将它们成像。由此产生的2.25亿图像被计算地对齐并缝合到该区域的3D数字表示中。机器学习算法分段细胞和分类突触,轴突,树突,细胞和其他结构,以及人类检查了他们的工作。

去年,谷歌和Janelia研究校园的霍华德休斯医学院在他们类似地映射了一部分果蝇的果岭的头条新闻。那张地图,在最大的时候,覆盖了约25,000名神经元和2000万个突触。除了针对人类的大脑,本身还有注释,新地图还包括成千上万的神经元和1.3亿突触。它需要1.4张磁盘空间。

相比之下,美国宇航局的土地上的地球卫星图像价值超过了三十年的卫星图像需要1.3个储存的储存。艾伦研究所的粘土里德告诉脑部的脑袋上最小鳞片上的大脑图像的集合就像“沙子谷物中的世界”。自然,引用William Blake参考鼠标大脑的早期地图。

然而,这一切都是百万人的大脑。这就是说,整个事情的同样细致的地图还有几年。尽管如此,该工作表明了该领域的移动速度有多快。几十年前,这种规模和细节的地图将是不可想象的。

如何映射大脑

对大脑的蜂窝电路的研究称为ConnectMics。

获得人体连接,或整个大脑的接线图,是一种人类对人类基因组的月曲。就像人类基因组一样,起初,它似乎是一个不可能的壮举。

只有完整的Connectomes是简单的生物:线虫蠕虫(C. Elegans.)和海洋生物的幼虫叫C. intestinalis.。有一个非常好的原因。直到最近,映射过程是耗时和昂贵的。

研究人员映射C. Elegans.在20世纪80年代,使用了将电子显微镜连接到蠕虫的图像切片上的胶片相机,然后重建神经元和突触连接用手,就像一个疯狂的三维拼图。C. Elegans.只有302个神经元和大约7,000个突触,但是它的连接粗略草稿花了15年,最后的草案另外20岁。显然,这种方法不会缩放。

什么改变了?简而言之,自动化。

这些天图像本身当然是数字。一次称为聚焦离子束铣削的过程一次将每个纳米的每片组织向下刮。在蒸发一层之后,电子显微镜图像是新暴露的层。然后将成像层由离子束和接下来的成像剃掉,直到所有留在组织的左侧是纳米分辨率的数字拷贝。这是kodachrome日子里的哭声。

但也许最戏剧性的改善是科学家在科学家完成那堆图像之后发生的事情。

算法而不是用手组装它们,而不是用手组装。他们的第一份工作是订购成像的切片。然后他们在过去十年之前做了不可能的事情。它们将图像排列如此,追踪单元格的路径和它们之间的突触,从而构建3D模型。人类仍然校对结果,但他们不再做了最难的比特。(即使是校对也可以精制。例如,着名的神经科学家和Connectomics Proponent Sebastian Seung,创造了一个名为Eyewire的比赛,成千上万的志愿者审查结构。)

“看起来真的很美,”哈佛·杰夫利德曼,他的实验室在新地图上与谷歌合作自然他说,在2019年,这些程序可以追溯到神经元的速度比球队更快地脱掉图像数据。“我们无法跟上他们。这是一个很棒的地方。“

但为什么…?

2010年TED谈话,同盟告诉观众,你是你的连接。重建联系,你重建思想本身:记忆,经验和个性。

但是Connectomics没有多年来没有争议

不是每个人都认为在这种细节水平上映射连接是深入了解大脑所必需的。而且,特别是在该领域的早期,更多的手工过去,研究人员担心所需的资源规模根本不会产生相当有价值(或及时)的结果。

“我不需要知道每个细胞接线的精确细节和每个大脑中的每个脑子中的每个突触,”Nueroscientist Anthony Movshon在2019年说。“我需要知道的是,是将它们在一起的组织原则。”这些,Movshon认为,可能会从较低决议的观察中推断出来。

此外,大脑的物理连接的静态快照不一定解释如何这些连接在实践中使用。

“一个连接是必要的,但不够,”一些科学家多年来说道。实际上,它可以是脑地图的组合 - 包括函数的更高级别的映射,其响应于刺激而追踪通过神经网络流过神经网络的信号 - 大脑的内部工作将在最尖锐的细节中照亮。

不过,这C. Elegans.多年来,Connectome已被证明是神经科学的基础建筑块。而且越来越多的映射速度开始表明目标似乎是不切实际的,实际上可能在未来几十年内到达。

我们到了吗?

同盟说道当他第一次开始时,他估计,一个人为一个人手动追踪一百万年的人类皮质立方毫米的所有连接。他进一步推断出全部大脑,将大约一万年。

这就是为什么自动化和算法对该领域非常重要。

Janelia的Gerry Rubin告诉统计他和他的团队在2008年开始在水果飞行器上开始工作了1,000倍的映射速度。全部连接 - 在去年完成的第一部分 - 可以在2022年到达。

其他群体正在致力于其他动物,如章鱼,并表示比较不同形式的智能,可能是特别丰富的发现地面。

鼠标的完整连接,一个已经进行的项目,可能遵循十年结束的果蝇。鲁宾从鼠标到人类的估计需要迈出跳跃速度的另一百万倍。但是,自1973年以来,他指向DNA测序速度的数量增加,以表明这种显着的技术改进并没有前所未有。

基因组也可以是另一种方式的APT比较。即使在测序第一个人类基因组后,它也花了多年的时间来规模基因组学,我们可以更充分地实现其潜力。Connectomics也许是相同的。

即使技术开启了新的门,也可能需要时间才能理解并利用它所提供的所有内容。

“我相信人们对[Connectomes]提供的,”Joshua Vogelstein,开放式连接项目的Cofounder,告诉边缘去年。“使用该技术进行良好技术之间的良好技术与实际科学之间的时间往往是大约15年。现在这是15年后,我们可以开始做科学。“

支持者希望大脑地图将产生新的见解,以便大脑如何运作 - 从思考情感和记忆 - 以及如何更好地诊断和治疗脑障碍。

Shapson-Coe表示,“这一进步开辟了比较健康和歧视脑网络的可能性,以确定致力于引起精神疾病和其他神经系统疾病的网络变化。”

其他人,谷歌其中毫无疑问,希望收集可能导致更有效的计算(大脑在这方面的令人惊讶)和更强大的人工智能的洞察力。

没有讲述科学家会发现什么,神经元通过突触,他们映射了我们思想的内在工作 - 但似乎是一切,但某些伟大的发现等待着。

更新(6/9/2021):在哈佛大学Lichtman学院的博士后研究所的博士道Shapson-Coe的工作意义添加了报价,并在描述该研究的论文的主要作者。

图片来信:谷歌/哈佛

杰森正在管理奇点集线器的编辑。188金宝搏app1.1.94他在科学和技术前进行了关于金融和经济学的研究和写作。他很好奇几乎所有东西,悲伤,他只知道一小部分一切。