上周二,来自谷歌和哈佛大学的研究小组发布了一份人脑中一立方毫米内的每个细胞和连接的复杂地图。

绘制的区域包括大脑皮层的不同层次和细胞类型,大脑皮层是一个与高层次认知相关的区域,如思考、计划和语言。据谷歌,这是迄今为止在这一详细程度上最大的大脑地图,科学家(和我们其他人)可以在线免费获得。(真的。去这里.漫步。)

“人类的大脑是一个极其复杂的网络的脑细胞负责所有的人类行为,但直到现在,我们还没能完全映射这些连接大脑的即使是很小的区域内,“亚历山大Shapson-Coe博士说,哈佛大学的博士后研究员李奇曼实验室的主要作者关于工作的预印纸

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,谷歌和霍华德·休斯医学研究所的Janelia研究园区因为类似地绘制了果蝇大脑的一部分而成为头条新闻。地图,当时是最大的它覆盖了大约25000个神经元和2000万个突触。除了以人类大脑为目标之外,新地图还包括成千上万的神经元和1.3亿个突触。它占用1.4 pb的磁盘空间。

相比之下,美国国家航空航天局(NASA)陆地卫星(Landsat)项目30多年来拍摄的地球卫星图像需要1.3 pb的存储空间。艾伦研究所的克雷·里德(Clay Reid)说,最小规模的大脑图像收集就像“一粒沙子里的世界”自然,引用了威廉·布莱克早期的老鼠大脑图。

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(秀丽隐杆线虫)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。

研究人员映射秀丽隐杆线虫在20世纪80年代,用电子显微镜连接的电影摄像机拍摄蠕虫的切片,然后重建神经元和突触的连接用手,就像一个疯狂的三维拼图。秀丽隐杆线虫只有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。

当然,现在的图像本身是数码的。一种被称为聚焦离子束铣削的过程,每次将组织切片削下几纳米。其中一层蒸发后,电子显微镜就能对新暴露的层进行成像。然后离子束将成像层刮去,再对下一层进行成像,直到剩下的组织切片是一份纳米分辨率的数字副本。这和柯达时代已经大不相同了。

但也许最显著的进步是科学家完成这堆图像后发生的事情。

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的比赛那里有成千上万的志愿者评估结构.)

“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在2019年。他说,该程序追踪神经元的速度比研究小组大量生成图像数据的速度还要快。“我们跟不上他们。那是一个很棒的地方。”

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,大脑物理连接的静态快照也不一定能解释这一点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,这秀丽隐杆线虫多年来,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?

Seung说当他第一次开始时,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在该领域如此重要。

Janelia的Gerry鲁宾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。

一个已经在进行中的项目,老鼠的完整连接体,可能会在这个十年结束时跟随果蝇的脚步。鲁宾估计,从鼠标到人类,映射速度还需要再提高100万倍。但他指出,自1973年以来,DNA测序速度已经增长了万亿倍,这表明这种巨大的技术进步并非史无前例。

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。

“我相信人们对连接体能提供什么没有耐心,”开放连接体项目的联合创始人Joshua Vogelstein说,告诉边缘去年.“从一项好的技术被播种到使用该技术进行真正的科学研究通常需要大约15年的时间。现在已经15年过去了,我们可以开始做科学研究了。”

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。

沙普森-科说:“这一进展开启了比较健康和患病大脑网络的可能性,从而确定被认为导致精神疾病和其他神经疾病的网络变化。”

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。

现在还不知道科学家们究竟会发现什么,因为神经元通过突触来描绘我们大脑的内部运作——但似乎所有伟大的发现都在等待着我们。

更新(2021年6月9日):补充了对亚历山大·沙普森-科(Alexander Shapson-Coe)研究的重要性的引用,他是哈佛大学利奇特曼研究所(Lichtman Institute)的博士后研究员,也是描述该研究论文的第一作者。

图片来信:谷歌/哈佛

Jason是Singularity Hub的总编辑。188金宝搏app1.1.94在转向科学技术之前,他做过金融和经济方面的研究和写作。他对几乎所有的事情都很好奇,可悲的是他只知道其中的一小部分。