研究人員利用高解析度電子顯微鏡對一小塊人類腦組織進行成像，產生了一張包含57,000多個細胞和近1.5億個突觸的三維地圖。他們的發現揭示了細胞類型和連結的複雜細節，凸顯了大腦的複雜性，推動了連結組學領域的發展。

圖中顯示的是一個神經元和連接它的5600 根神經纖維（藍色）。建立這些連結的突觸為綠色。圖片來源：Google Research 與哈佛大學Lichtman 實驗室。哈佛大學D. Berger 繪製

要充分了解人類大腦的運作原理，就必須了解構成大腦的各種細胞之間的關係。這就需要在奈米尺度上對大腦結構進行視覺化，以便看到神經元之間的連結。

由哈佛大學傑夫-利奇曼（Jeff Lichtman）博士和Google研究院維倫-賈恩（Viren Jain）博士領導的研究小組利用電子顯微鏡（EM）對一塊立方毫米大小的人類腦組織進行了高解析度成像。該組織是從一名患者的大腦皮質中取出的，是癲癇手術的一部分。

研究團隊首先將組織切成5000 多張切片或切面，然後用電磁波對每張切片或切面進行成像。這產生了約1.4 PB 或1,400 TB 的資料。利用這些數據，研究人員產生了樣本中幾乎每個細胞的三維重建圖。這項由美國國立衛生研究院資助的研究結果發表在《科學》雜誌上。

研究人員在一小塊人類腦組織中建構了幾乎每一個神經元及其連接的三維影像。該圖像顯示了六層神經元，並根據每個細胞中央核心的大小進行了著色。圖片來源：Google Research & Lichtman Lab，哈佛大學。哈佛大學D. Berger 繪製

樣本中單一細胞的分析顯示，共有57,000 多個細胞。其中大部分是神經元或神經膠質細胞，前者負責發送電訊號，後者則為神經元提供各種支持功能。神經膠質細胞的數量是神經元的2比1。最常見的膠質細胞是少突膠質細胞，它們為神經元提供結構支持和電絕緣。一立方毫米的樣本中還含有約230 毫米的血管。

重建揭示了以前從未見過的結構細節。研究人員分析了一種被稱為三角形細胞的神經元，這種神經元存在於大腦皮質的最深一層。其中許多採用了兩種方向中的一種，這兩種方向互為鏡像。這種組織的意義仍不得而知。

研究團隊利用機器學習來辨識突觸–訊號從一個細胞傳遞到另一個細胞的連接點。他們發現了近1.5 億個突觸。幾乎所有的神經元都只與特定的目標細胞形成一個突觸。但也有一小部分神經元與同一目標細胞形成了兩個或多個突觸。

至少有一次，一對細胞之間的突觸超過了50 個。雖然很少見，但細胞之間有七個或七個以上突觸連接的情況比預期的要常見得多。這顯示這些強連結具有一定的功能意義。

這些結果說明了大腦在細胞層面上是多麼複雜。它們也顯示了連結組學–生成腦細胞間全面連結圖譜的科學–對於了解大腦功能的價值。

“‘片段’這個詞很有諷刺意味，”利奇曼說。 “對大多數人來說，一兆兆位元組是一個巨大的數字，然而人腦的一個片段–只是人腦中微不足道的一丁點–仍然是數千兆兆位元組。”

研究小組向公眾開放了他們的數據集。他們還提供了各種軟體工具，幫助研究大腦地圖。希望團隊和其他團隊對這些數據的進一步研究能為人類大腦的運作提供新的見解。

“如果沒有研究參與者的慷慨捐贈，如果沒有神經科學家、計算機科學家和工程師之間的重要合作，這一令人難以置信的進步–捕捉和處理來自大腦的1000多兆字節數據的能力- -是不可能實現的，”美國國立衛生研究院大腦計劃主任約翰-恩蓋博士（Dr. John Ngai）說。 “這些合作對於我們實現建立完整的人類大腦圖譜的目標至關重要，這樣我們就能讓治療更接近臨床”。

編譯自/ ScitechDaily