谷歌發布史上最高分辨率大腦連接圖

這個新的「連接體」描繪了果蠅大腦中大約萬個神經元，這里顯示了其中的一部分

來自谷歌和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的Janelia研究園區（Janelia ResearchCampus）FlyEM團隊的研究人員，在近日發布了有史以來最高分辨率的動物大腦連接圖———半腦連接組（hemibrain connectome），這是重建的首個突觸級連接組。

研究人員分享了一個3D模型，該模型追蹤了果蠅大腦中約2.5萬個神經元的2000萬個突觸，它們可以被分成數千種不同的細胞類型，橫跨大腦的幾個區域。該模型是連接學領域的一個里程碑，它使用詳細的成像技術來繪制大腦的物理路徑。此前，只有C. elegans的大腦能被完整地描繪成這樣。半腦連接組覆蓋了果蠅大腦的約1/3，包括蘑菇體和對聯想學習和飛行導航至關重要的復雜腦回路;時鐘神經元迂回，包括內積體也可以揭示睡眠機制相關原理;此外，根據現有的光學顯微鏡圖像數據和以前在視葉的部分連接體重建，它還確定了大多數進入中央腦區域的視葉神經元，從而可以分析后續的視覺處理。

果蠅被公認為是被人類研究最為徹底的生物之一，果蠅相關的研究推動了分子生物學、遺傳學和神經科學的發展，目前有8個諾貝爾獎歸屬于果蠅的相關研究。果蠅的重要優勢在于其大腦相對較小，更容易作為一個完整的回路來研究。Google在2014年與Janelia建立了合作關系，專注于研究果蠅大腦數據和3D自動化重建。在2019年，他們聯合劍橋大學重建了果蠅完整大腦，公開了40萬億像素的圖像，同時還開發了一個3D 的交互界面“Neuroglancer”。此前，科學家只能使用人工方法繪制果蠅大腦。

在宣布能夠自動重建果蠅大腦之后，他們表示將繼續推進與FlyEM團隊密切合作，利用“FIB-SEM”技術獲得的圖像，創建一個高度驗證且詳盡的果蠅大腦的連接組。制作這張連接圖的第一步是將果蠅大腦的各個部分切成20微米厚的碎片，大約是人類頭發寬度的1/3。然后用掃描電子顯微鏡的電子流轟擊這些大腦切片，使其成像。由此產生的數據由大約50萬億個三維像素（即體素） 組成，通過追蹤每個細胞路徑的算法對其進行處理。盡管谷歌擁有強大的算法能力，它仍然需要大量的人力來檢查軟件的工作。該公司表示，Janelia的科學家花了兩年時間和數十萬小時來校對3D 連接圖，使用VR頭盔和定制的3D編輯軟件來驗證這2000萬個化學突觸的路徑。即使這樣，最終的連接圖也只能是“半腦連接圖”。果蠅的大腦總共有10萬個神經元，而人類大腦大約有860億個神經元。這離建立一個完整的神經通路連接體還很遠。

在科學界，大家對連接學的評價好壞參半。有人認為連接學可以把大腦的物理部分和特定的行為連接起來，但也有人認為連接學發展至今沒有產生任何重大突破，但是繪制神經元圖譜的工作耗費了大量的資源。研究人員稱，由于成像的高分辨率，即使只有一立方毫米的腦組織，也可以產生超過1000TB的數據。因此，這次重建整個果蠅的大腦，可想數據量有多龐大。用于處理數據的，是谷歌數千個Cloud TPU。

諾丁漢大學的神經學家Mark Humphries在接受外媒采訪時講到，重建毫無疑問是一個技術上的奇跡，但是，它本身不會回答緊迫的科學問題，不過它可能會引出一些有趣的謎團。

這個新的「連接體」描繪了果蠅大腦中大約萬個神經元，這里顯示了其中的一部分

來自谷歌和霍華德·休斯醫學研究所（HHMI）的Janelia研究園區（Janelia ResearchCampus）FlyEM團隊的研究人員，在近日發布了有史以來最高分辨率的動物大腦連接圖———半腦連接組（hemibrain connectome），這是重建的首個突觸級連接組。

研究人員分享了一個3D模型，該模型追蹤了果蠅大腦中約2.5萬個神經元的2000萬個突觸，它們可以被分成數千種不同的細胞類型，橫跨大腦的幾個區域。該模型是連接學領域的一個里程碑，它使用詳細的成像技術來繪制大腦的物理路徑。此前，只有C. elegans的大腦能被完整地描繪成這樣。半腦連接組覆蓋了果蠅大腦的約1/3，包括蘑菇體和對聯想學習和飛行導航至關重要的復雜腦回路;時鐘神經元迂回，包括內積體也可以揭示睡眠機制相關原理;此外，根據現有的光學顯微鏡圖像數據和以前在視葉的部分連接體重建，它還確定了大多數進入中央腦區域的視葉神經元，從而可以分析后續的視覺處理。

果蠅被公認為是被人類研究最為徹底的生物之一，果蠅相關的研究推動了分子生物學、遺傳學和神經科學的發展，目前有8個諾貝爾獎歸屬于果蠅的相關研究。果蠅的重要優勢在于其大腦相對較小，更容易作為一個完整的回路來研究。Google在2014年與Janelia建立了合作關系，專注于研究果蠅大腦數據和3D自動化重建。在2019年，他們聯合劍橋大學重建了果蠅完整大腦，公開了40萬億像素的圖像，同時還開發了一個3D 的交互界面“Neuroglancer”。此前，科學家只能使用人工方法繪制果蠅大腦。

在宣布能夠自動重建果蠅大腦之后，他們表示將繼續推進與FlyEM團隊密切合作，利用“FIB-SEM”技術獲得的圖像，創建一個高度驗證且詳盡的果蠅大腦的連接組。制作這張連接圖的第一步是將果蠅大腦的各個部分切成20微米厚的碎片，大約是人類頭發寬度的1/3。然后用掃描電子顯微鏡的電子流轟擊這些大腦切片，使其成像。由此產生的數據由大約50萬億個三維像素（即體素） 組成，通過追蹤每個細胞路徑的算法對其進行處理。盡管谷歌擁有強大的算法能力，它仍然需要大量的人力來檢查軟件的工作。該公司表示，Janelia的科學家花了兩年時間和數十萬小時來校對3D 連接圖，使用VR頭盔和定制的3D編輯軟件來驗證這2000萬個化學突觸的路徑。即使這樣，最終的連接圖也只能是“半腦連接圖”。果蠅的大腦總共有10萬個神經元，而人類大腦大約有860億個神經元。這離建立一個完整的神經通路連接體還很遠。

在科學界，大家對連接學的評價好壞參半。有人認為連接學可以把大腦的物理部分和特定的行為連接起來，但也有人認為連接學發展至今沒有產生任何重大突破，但是繪制神經元圖譜的工作耗費了大量的資源。研究人員稱，由于成像的高分辨率，即使只有一立方毫米的腦組織，也可以產生超過1000TB的數據。因此，這次重建整個果蠅的大腦，可想數據量有多龐大。用于處理數據的，是谷歌數千個Cloud TPU。

諾丁漢大學的神經學家Mark Humphries在接受外媒采訪時講到，重建毫無疑問是一個技術上的奇跡，但是，它本身不會回答緊迫的科學問題，不過它可能會引出一些有趣的謎團。