大脑如无限深远的星系，让人敬畏

摘要：4 月 9 日《自然》杂志上的研究文章（汇集艾伦脑科学研究所(Allen)、贝勒医学院(Baylor)、普林斯顿大学等 22 个机构 150 名科学家的十年研究结晶），描述了科学家们利用一粒沙子大小的小鼠脑物质，创建出第一张精确的哺乳动物大脑三维地图。

4 月 9 日《自然》杂志上的研究文章（汇集艾伦脑科学研究所(Allen)、贝勒医学院(Baylor)、普林斯顿大学等 22 个机构 150 名科学家的十年研究结晶），描述了科学家们利用一粒沙子大小的小鼠脑物质，创建出第一张精确的哺乳动物大脑三维地图。

这是人类首次呈现1立方毫米（约一颗沙粒大小）脑物质中的 84000 个神经元的形式、功能和传递。这些神经元是信息发射的机构，称为轴突，遍布于超过 5 亿个神经元突触以及 20万个脑细胞。在1立方毫米的组织里容纳了5.4 公里长度的神经元布线。而这一立方亳米也只代表了老鼠大脑全部体积的 1/500。研究此1立方毫米组织所产生的数据高达 1.6 PB 的数据，相当于1600个1TB硬盘容量，这个数据量也等于 22 年不间断的高清视频数据。

此研究项目称为皮层网络机器智能（MICrONS， the Machine Intelligence from Cortical Networks），目前已向公众开放。

研究人员的体会是：当观察这些神经元，看到它们的细节和规模，会让你产生一种敬畏感来欣赏大脑的结构和运行，就像人类抬头仰望星空，无限深远的星系一样。

为了制作这张地图，休斯顿贝勒医学院的研究人员将小鼠放在跑步机上，放映不同的电影，给予视觉刺激，让其保持清醒。这些电影来自《黑客帝国》、《疯狂的麦克斯：狂暴之路》、越野摩托车、雪橇和定点跳伞等极限运动，并且以10秒钟进行轮换播放。

使用专门的显微镜记录小鼠1 立方毫米视觉皮层组织在这些场景下几天内的大脑活动——小鼠使用这区域视频皮层组织处理它所看到的东西。他们观测到，在此视觉刺激环境下，小鼠大脑中一个纵列视觉皮层的所有 1800 个细胞都出现状态变化，卷入了此大脑活动。

然后科研人员小鼠实施安乐死，研究人员将1个立方毫米大脑切成 28000 多层，每层是人类头发宽度的 1/400，分割时将每一层图像拍摄下来，最后合成出完整的图像，来展示小鼠在外界刺激后，其视觉传递到大脑内部的信号活动。
新泽西州普林斯顿大学的一个团队部署了机器学习和人工智能工具，追踪所有切片的每个神经元的轮廓，在分割中为神经元着色以便单独标示它们。人工智能生成的信息由参与的科学家进行验证或校对。这项工作最终以一种统一的模式完成，科学家们称其为小鼠大脑“连接体”。显示了小鼠大脑的各功能部分是如何组织的，并提供了对不同类型细胞如何协同工作的理解。

长期以来，以这种方式绘制大脑图谱一直被认为是一项不可能的挑战，科学界认为永远无法达到对大脑实现如此详细的了解。但如今，学者们已经成功将一立方毫米脑组织的精确连系图及其所有神经元的运动，准确地绘制出来。当然此次小鼠大脑“连接体”的成功建立，也得于之前在更小生物上的类似成功工作：线虫秀丽隐杆线虫的连接体于 2019 年完成，果蝇大脑神经元的图谱则在2024年完成。
研究人员说，一立方毫米的小鼠大脑大约是整个果蝇大脑的 20 倍，而且要复杂得多。尽管如此，大家的目标是能够接下来三四年内绘制出整个小鼠大脑连接体。
然而，以类似的突触分辨率绘制人脑连接体将是一项极其困难的工作，因为人脑比老鼠大脑大 1500 倍左右，技术和道德方面都存在极大障碍。