由150 多名科學家組成的團隊實現了曾經看似不可能的任務：繪製出哺乳動物大腦一小部分的完整連結和活動圖。這項創舉是MICrONS計畫的一部分，其雄心壯志和規模堪比人類基因組計劃，利用尖端人工智慧、顯微鏡技術和團隊合作，繪製了超過20萬個腦細胞和數百萬個突觸的圖譜。

研究人員發現了許多新發現，揭示了抑制性神經元如何選擇性地影響其他神經元，從而深入了解了思維、記憶以及阿茲海默症等疾病是如何從細胞相互作用中產生的。這項成就開啟了腦科學和醫學突破的新紀元。

科學家們從一小塊不及一粒沙子大小的腦組織中，實現了曾經看似不可能的事情：繪製出大腦各部分詳細的功能性連結圖。 1979年，分子生物學家弗朗西斯·克里克曾預言：「不可能繪製出一立方毫米腦組織的精確連接圖，以及其中所有神經元的放電方式。」但如今，經過七年的努力，來自世界各地的150多位科學家和研究人員，讓這一願景更接近現實。

這張圖展示了MICRONS 計畫重建的12 萬個腦細胞（神經元+ 神經膠質細胞）中超過1000 個的子集。每個重建的神經元都呈現不同的隨機顏色。圖中發光的神經元是有顏色的。圖片來源：Forrest Collman/Allen 研究所

「皮層網路機器智慧」（MICrONS）計畫繪製出了迄今為止最詳細的哺乳動物大腦連結圖。這項成果於4月9日在《自然》系列期刊上發表的十篇科學論文中分享，為理解大腦的結構和功能，尤其是在視覺系統方面，提供了前所未有的見解。該資料集可透過MICrONS Explorer取得，總計1.6PB，大約相當於22年的連續高清視訊。

「 《自然》雜誌特刊上發表的MICrONS 進展是神經科學的一個分水嶺，其變革潛力堪比人類基因組計劃，」協調這項工作的前IARPA 項目經理David A. Markowitz 博士說。

IARPA 對MICrONS 計畫的「登月」式投資打破了先前的技術限制，創造了第一個能夠研究神經結構與功能之間關係的平台，其規模足以理解智力。這項成就驗證了我們專注的研究方法，並為未來擴展到全腦層面奠定了基礎。

貝勒醫學院的科學家們首先使用專門的顯微鏡，記錄了小鼠在觀看各種電影和YouTube影片時，其視覺皮層一立方毫米區域的腦部活動。之後，艾倫研究所的研究人員將同樣大小的腦組織切片，切成超過25000層，每層厚度僅為人類頭髮絲的1/400，並使用一系列電子顯微鏡對每層切片進行高解析度拍照。最後，普林斯頓大學的另一個團隊利用人工智慧和機器學習技術，將細胞和連接重建為3D模型。

結合大腦活動記錄，結果是迄今為止最大的大腦接線圖和功能圖，包含超過200，000 個細胞、四公里長的軸突（延伸到其他細胞的分支）和5.23 億個突觸（細胞之間的連接點）。

「在那微小的斑點內部，隱藏著一整套結構，如同一片精緻的森林，」資深研究員、電子顯微鏡連接組學早期奠基人之一、醫學博士、哲學博士Clay Reid說道，他於13年前將這一科學領域引入了艾倫研究所。 “它包含了我們從神經科學各個領域了解到的各種連接規則。在重建過程中，我們可以檢驗舊理論，並希望發現一些前所未見的新事物。”

這些研究結果揭示了新的細胞類型、特徵、組織和功能原理，以及一種新的細胞分類方法。其中最令人驚訝的發現之一是發現了大腦內一種新的抑制原理。科學家先前認為，抑制性細胞（即那些抑制神經活動的細胞）只是一種抑制其他細胞活動的簡單力量。

然而，研究人員發現了一種更複雜的溝通方式：抑制細胞的活動並非隨機；相反，它們對目標興奮性細胞有著高度的選擇性，從而形成了一個覆蓋整個網絡的協調合作系統。有些抑制細胞協同作用，抑制多個興奮性細胞，而有些則較為精準，只針對特定類型的細胞。

「從很多方面來說，這都代表著未來，」貝勒醫學院和史丹佛大學參與該計畫的首席科學家之一Andreas Tolias 博士解釋道。 “MICrONS 將成為一個里程碑，我們將在此構建涵蓋多個分析層面的大腦基礎模型，從行為層面到神經活動的表徵層面，甚至到分子層面。”

了解大腦的形態和功能，並能夠以前所未有的規模分析神經元之間的詳細連接，為研究大腦和智力開闢了新的可能性。這也對阿茲海默症、帕金森氏症、自閉症和精神分裂症等與神經通訊中斷有關的疾病具有重要意義。

「如果你的收音機壞了，而且你有電路圖，你就能更好地修理它，」艾倫研究所副研究員努諾·達·科斯塔博士說。 “我們正在描繪一種Google地圖，或者說是這顆沙粒的藍圖。未來，我們可以用它來比較健康小鼠和疾病模型小鼠的大腦連接。”

MICrONS 計畫是來自艾倫研究所、普林斯頓大學、哈佛大學、貝勒醫學院、史丹佛大學等許多大學的150 多名科學家和研究人員的合作成果。

「進行這種大規模、團隊規模的科學研究需要大量的合作，」艾倫研究所數據與技術副主任福雷斯特·科爾曼博士說。 “它需要人們擁有遠大的夢想，並齊心協力攻克那些顯然無法解決的問題，而這正是取得進步的途徑。”

此次全球合作得益於美國情報高級研究計劃局(IARPA) 和美國國立衛生研究院的「透過推進創新神經技術進行腦研究計畫」（即BRAIN 計畫）的支持。

「BRAIN 計畫在匯聚不同學科的科學家開展複雜且具有挑戰性的研究方面發揮著至關重要的作用，這些研究無法單獨完成，」BRAIN 計畫主任John Ngai 博士說道。 “諸如大腦連接方式之類的基礎科學構建模組，是我們更好地理解腦損傷和腦疾病，使治療和治愈方法更接近臨床應用的基礎。”

繪製出大腦中一粒沙大小區域的神經元連結、形態和功能圖譜，不僅是一項科學奇蹟，更是邁向理解思考、情緒和意識的神秘起源的一步。法蘭西斯·克里克在1979年首次提出的「不可能」任務，如今距離現實又更近了一步。

編譯自/ ScitechDaily