人脑内部连接图发布数据集是“未来几年的宝贵财富”

2021-07-27 11:29:15

研究人员绘制了迄今为止最详细的人脑内部连接图,它展示了人脑神经元间的连接模式。近日,相关论文发布于预印本平台bioRxiv。

这张图可以在网上免费获得,其中包括5万个细胞,全部以三维形式呈现。它们由上亿根蜘蛛丝般的卷须连接在一起,形成了1.3亿个突触连接。该数据集有1.4拍字节,约为计算机存储容量的700倍。

论文作者之一、美国加州山景城谷歌研究中心的Viren Jain说,该数据集如此之大,以致研究人员还未能对其进行详细研究。未参与该研究的哈佛大学的Catherine Dulac说,这是我们第一次看到如此大的人脑真实结构。

该研究始于哈佛大学Jeff Lichtman团队从一位45岁抗药性癫痫女性患者身上获得的一小片大脑。患者接受了移除左海马体手术。手术中,外科医生必须移除覆盖在其海马体上的一些健康脑组织。

Lichtman团队立即将样本浸泡在防腐剂中,然后用像锇这样的重金属进行染色,以便每个细胞的外膜在电子显微镜下都可以看到。之后将样本嵌入树脂中使其变硬,进而切成约30纳米厚的薄片(大约是人类头发直径的千分之一),并使每个薄片成像。此时,Jain团队接手,组装二维切片形成三维模型。他们使用机器学习重建了连接神经元的卷须,并标记了不同的细胞类型。

而所有这些细节展示的只是大脑的一小部分。“产生的整个数据集仅代表了1立方毫米大脑,通常是核磁共振扫描中的一个像素。”Jain说。但对Dulac来说,该数据集是“未来几年的宝贵财富”。

研究小组还在大脑皮层深处发现了以前没有观察到的神秘神经元对。Lichtman说:“两个细胞在同一轴上指向相反方向。”

要绘制整个人脑图需要1000倍的数据集,即泽字节。Lichtman提到,这相当于全球一年产生的数字内容的总和。但这样做可能不值得。“我们可能会发现,其中很多是来自经验的编码信息,因此每个大脑都是不同的。”他说,如果不了解信息是如何存储的,这些数据将无用处。

但有专家认为,一个直接的好处是有助于探索有精神健康问题的人的大脑有何不同,以进一步阐明精神分裂症等疾病是如何发生的。

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