摘要：1979年，因发现DNA分子双螺旋结构而荣获诺贝尔生理学或医学奖的分子生物学家克里克（Francis Crick）已将研究兴趣转向大脑，他在《科学美国人》发表了一篇富有先见之明的文章，提出正在涌现的新技术和新方法将帮助我们更好地理解大脑的工作原理。然而即便如此

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1979年，因发现DNA分子双螺旋结构而荣获诺贝尔生理学或医学奖的分子生物学家克里克（Francis Crick）已将研究兴趣转向大脑，他在《科学美国人》发表了一篇富有先见之明的文章，提出正在涌现的新技术和新方法将帮助我们更好地理解大脑的工作原理。然而即便如此，克里克当时认为，有些任务是“不可能”完成的，比如“为1立方毫米的脑组织及其中所有神经元的放电方式绘制出精确的布线图”。

时至今日，技术的发展令克里克的预测显得过于“保守”了。

在最新一期《自然》及其子刊《自然-方法》上，来自全世界150多名科学家和研究人员组成的MICrONS联盟，通过10篇论文展示了这项“不可能的任务”：利用新开发的成像和人工智能工具，为1立方毫米的小鼠大脑皮质绘制出了完整的功能线路图。在只有一粒芝麻那么大的脑组织中，研究人员追踪到了84000个神经元，它们相互之间构成了5亿多个连接点（突触），以及总长约5400米的神经连接。这也是迄今为止有关哺乳动物的大脑最详细的神经连接图谱。

▲MICrONS联盟的旗舰论文

MICrONS联盟的全称为Machine Intelligence from Cortical Networks（皮层网络的机器智能），汇集了贝勒医学院、艾伦脑科学研究所、普林斯顿大学、斯坦福大学等多所研究机构的科学家。

研究者首先记录了小鼠在跑步机上跑步和观看视频时其大脑视皮层中的神经活动，确切地说，是在1立方毫米视皮层中同时记录数万个神经元的活动。由于小鼠经过基因改造，神经元在活跃时会发出荧光，可通过专门的显微镜记录下来。

随后，研究人员将这1立方毫米的脑组织切成25000多层——每层的厚度只有几十纳米（大约是人类发丝的1/400），并为每一层拍摄高分辨率照片。通过电子显微镜的观察，识别出的细胞数超过20万个，其中有大约84000个神经元和5.24亿突触连接。

接下来，研究团队利用人工智能和机器学习重建这些细胞及其之间的连接，构建出三维图谱，并结合此前大脑神经活动的记录，最终生成了一张大规模的神经形态和连接的高分辨率图谱，揭示出小鼠大脑细胞结构和连接与小鼠大脑活动的关系。

▲构建功能连接组图谱的流程示意图（图片来源：参考资料[1]）

虽然仅仅一粒芝麻大的脑组织只代表大脑的很小一部分，然而窥一斑以见全豹，这一高分辨率的连接图谱为人们理解大脑的组织方式以及不同类型的细胞如何协同工作提供了前所未有的视角。

同系列的配套论文中，研究团队介绍了用于浏览、编辑、注释和分析这一功能连接组学数据集的工具，以及如何识别不同的神经元类型，如何将神经元类型与基因表达数据相关联，如何利用数据集生成连接图，以及如何将神经布线结构与神经元活动相关联等。这些新方法为未来将功能连接组学扩展到全脑水平奠定基础。

▲重建图中的一小部分，展示了1000个神经细胞之间构成的复杂连接（图片来源：参考资料[3]）

而这份数据集也已经为我们提供了有关大脑的新认识，揭示了新的细胞类型、特征、组织和功能原理。例如，抑制性细胞过去被认为只是简单地抑制神经元发放电信号，但新研究发现大脑中有令人惊讶的抑制原理。实际上，抑制细胞对自己所针对的兴奋细胞具有高度的选择性，有些抑制性细胞协同工作，抑制多个兴奋性细胞；有些抑制性细胞只针对特定类型的细胞，从而形成了一个全网络的协调与合作系统。

在《自然》同期发表的专家评论文章中，作者评论这一工作是“有史以来将哺乳动物脑结构与活跃动物神经活动联系起来的最全面的数据集”。

研究人员相信，大脑功能连接组学的发展，不仅为研究大脑和认知开辟了新的可能性，也将为阿尔茨海默病、帕金森氏症、孤独症、精神分裂症等涉及神经环路障碍的疾病产生影响。

参考资料：

[1] Mariela D. Petkova & Gregor F. P. Schuhknecht A vast brain map links neural activity and wiring. Nature (2025)

[2] The MICrONS Consortium et al., Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex. Nature (2025) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08790-w

[3] Scientists complete largest wiring diagram and functional map of the brain to date. Retrieved Apr. 10, 2025 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1079296

来源：营养和医学