要了解我們的大腦是如何工作的，就必須研究不同的大腦區域是如何通過神經纖維相互連接的。在《科學》雜誌上，人腦計劃(HBP) 的研究人員回顧了該領域的現狀，提供了關於大腦連接組如何在不同空間尺度（從分子和細胞到宏觀水平）上構建的見解，並評估了現有方法以及理解連接體複雜組織的未來需求。

人腦計劃(HBP) 科學家利用獨特的多尺度方法，結合各種實驗方法，研究大腦連接組的複雜組織。 他們結合了解剖和擴散磁共振成像、雙光子熒光顯微鏡和3D 偏振光成像等技術，以可視化和理解不同空間尺度的神經纖維。 他們的發現與Julich Brain Atlas 相關聯以供參考，揭示了對不同大腦區域的連接性和功能的新見解。

“用一種甚至兩種方法研究大腦連接是不夠的，”作者兼HBP 科學主任Katrin Amunts 說，他領導著Forschungszentrum Jülich 和C. & O 的神經科學與醫學研究所(INM-1) . 杜塞爾多夫大學醫院福格特大腦研究所。“連接組嵌套在多個層次上。 為了理解它的結構，我們需要通過在多尺度方法中結合不同的實驗方法，並將獲得的數據整合到我們開發的Julich Brain Atlas 等多層次地圖集中，同時觀察多個空間尺度。”

來自Forschungszentrum Jülich 和伍珀塔爾大學物理系的Markus Axer 是科學文章的第一作者，他和他在INM-1 的團隊開發了一種稱為3D 偏振光成像(3D-PLI) 的獨特方法來可視化神經微觀分辨率下的纖維。研究人員在連續的大腦切片中追踪纖維的三維路線，目的是開發整個人類大腦的3D 纖維圖譜。

3D 偏振光成像揭示了人腦部分的細節，顯示了海馬體中細至單個軸突的纖維結構。顏色代表3D 纖維方向，突出顯示單個纖維和纖維束的路徑。圖片來源：Markus Axer 和Katrin Amunts，INM-1，Forschungszentrum Jülich

與來自法國Neurospin 和意大利佛羅倫薩大學的其他HBP 研究人員一起，Axer 和他的團隊最近使用幾種不同的方法對人類海馬體的相同組織塊進行了成像：解剖和彌散磁共振成像（aMRI 和dMRI），兩個-分別為光子熒光顯微鏡(TPFM) 和3D-PLI。

像TPFM 這樣的顯微鏡方法提供了小腦體積的亞微米分辨率圖像，揭示了大腦大腦皮層的微觀結構，但它們在解開連接遙遠大腦區域的纖維方面有其局限性，這些纖維構成了深部白質結構。對於電子顯微鏡測量來說更是如此，它可以對立方毫米的腦組織進行納米分辨率的觀察。相比之下，dMRI 可用於全腦水平的纖維束成像——可視化白質連接——但無法分辨單個纖維或小束。

“3D-PLI 充當微觀和宏觀方法之間的橋樑，”Amunts 說。“這是因為3D-PLI 以高分辨率解析了纖維結構，同時允許對全腦切片進行成像，然後我們可以在3D 中重建以追踪纖維連接。”

結合dMRI、TPFM 和3D-PLI 使研究人員能夠在同一參考空間內疊加三種模式。“這種數據整合只有通過對同一個組織樣本進行成像才能實現，”Axer 解釋道。人類海馬體塊從德國到法國，再回到德國，最後到達意大利，在受益於當地高度專業化設備的不同實驗室中進行處理和成像。

研究人員使用Julich Brain Atlas 將他們的數據空間錨定在解剖學參考空間中。三維圖譜包含250 多個大腦區域的細胞構造圖，構成了HBP 多層次人類大腦圖譜的核心。“我們的大腦圖譜使我們能夠準確定位我們在大腦中找到這些微結構的位置，”Amunts 解釋說。該數據集可通過HBP 的EBRAINS 基礎設施公開訪問，並可在交互式地圖集查看器中瀏覽。

研究人員採用多尺度方法結合不同空間尺度的多種模式來揭示人類連接組是獨一無二的，並為人類大腦的工作方式提供了令人興奮的新見解。

儘管海馬體重建是一個燈塔項目，但有幾項正在進行（或即將開始）的國際努力需要在開放的地圖集級別上進行協調，以實現多尺度數據的整合。Amunts 和Axer 強調，這是在實驗可及的尺度範圍內揭示連通性原則的先決條件——從軸突到通路。換句話說，需要一種結合微觀和宏觀方法的綜合多尺度方法來描述和理解人腦的嵌套組織。這組作者說，這需要對當前的方法進行嚴格的重新評估，包括纖維束成像術。