腦細(xì)胞 來(lái)自：www.microns-explorer.org

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作者：Dobby

來(lái)自普林斯頓大學(xué)、艾倫研究所和貝勒醫(yī)學(xué)院（Princeton University, the Allen Institute and Baylor College of Medicine）的神經(jīng)科學(xué)家和計(jì)算機(jī)科學(xué)家剛剛發(fā)布了一組將3D線(xiàn)路圖與數(shù)萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元功能結(jié)合在一起的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了迄今為止對(duì)哺乳動(dòng)物大腦回路最詳細(xì)的檢查圖。

200個(gè)細(xì)胞與功能數(shù)據(jù)匹配 來(lái)源：www.microns-explorer.org

不可能任務(wù)

這個(gè)龐大的項(xiàng)目的完整名稱(chēng)為：皮層網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器智能 (Machine Intelligence from Cortical Networks，MICrONS) 計(jì)劃。由智能高級(jí)研究項(xiàng)目活動(dòng)（Intelligence Advanced Research Projects Activity）資助，共耗時(shí)五年完成。

官網(wǎng)截圖

普林斯頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 H. Sebastian Seung 是MICrONS的首席科學(xué)家之一，他說(shuō)：“我們的五年任務(wù)非常艱巨，其充滿(mǎn)野心的目標(biāo)在許多人看來(lái)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。” “就在第一年，一位實(shí)驗(yàn)室成員和我爭(zhēng)辯說(shuō)，即使是第一階段的試點(diǎn)也是不可能達(dá)到的。而直到今天，我們正放出一立方毫米（1 mm³）的重建小鼠腦皮層，這比第一階段的目標(biāo)還大1000倍?！?/p>

該數(shù)據(jù)集已公開(kāi)提供給任何人瀏覽和使用（文末有官網(wǎng)鏈接），其繪制了 20 萬(wàn)個(gè)腦細(xì)胞（brain cells）和近 5 億個(gè)突觸（synapses）的精細(xì)結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)度，而所有這些都包含在一個(gè)立方毫米的小鼠大腦塊中，這大約是一粒沙子的大小。這個(gè)腦塊來(lái)自視覺(jué)新皮層，即哺乳動(dòng)物大腦中負(fù)責(zé)處理眼睛所看見(jiàn)的事物的那部分。

神秘又神奇

“大腦皮層是人類(lèi)大腦中最大的結(jié)構(gòu)，它幾乎有神話(huà)般的地位，”Seung 說(shuō)?！?906年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、西班牙英雄Santiago Ramon y Cajal就稱(chēng)其為'謎中之謎’，他是繪制神經(jīng)回路的先驅(qū)。我們相信Cajal會(huì)為我們?cè)?1世紀(jì)重建的這一片皮層感到十分高興。我想我們自己也為我們所做的也感到十分開(kāi)心，雖然我們因?yàn)槲迥甑娜蝿?wù)太累而還沒(méi)回過(guò)神來(lái)呢！”

這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是挖掘大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息以改進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)。該數(shù)據(jù)集對(duì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域也很有價(jià)值：無(wú)論是對(duì)想尋求了解大腦如何沿著清晰的回路傳遞信息的科學(xué)家，還是對(duì)想治療因大腦線(xiàn)路或連接發(fā)生異常而導(dǎo)致的腦部疾病的生物醫(yī)學(xué)研究人員。

“我們基本上把大腦回路當(dāng)作一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)待，我們共有三個(gè)問(wèn)題：它有什么作用？它是如何連接的？程序是什么？”艾倫研究所的高級(jí)研究員、MICrONS的首席科學(xué)家之一，Clay Reid說(shuō)?！皩?shí)驗(yàn)是為了從字面上觀察神經(jīng)元的活動(dòng)，即看著它們計(jì)算。我們今天展示的重建能讓我們看到神經(jīng)回路的元素：腦細(xì)胞和線(xiàn)路，其跟著線(xiàn)路到達(dá)細(xì)胞之間的連接點(diǎn)，這樣就能把圖繪制出來(lái)。最后一步就是理解繪制出的網(wǎng)絡(luò)，在這一步上我們也就可以說(shuō)我們可以讀取大腦程序了?！?/p>

突觸可視化   來(lái)自：www.microns-explorer.org

電子顯微鏡和數(shù)據(jù)集

該數(shù)據(jù)集加入了最近發(fā)布的其他使用相同技術(shù)，即電子顯微鏡，捕獲人類(lèi)和果蠅大腦線(xiàn)路圖的行列。這個(gè)方法能展現(xiàn)整個(gè)微觀景象下令人難以置信的細(xì)節(jié)，如在這個(gè)項(xiàng)目里，可以看到密集的卷須神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、血管和構(gòu)成大腦實(shí)質(zhì)物質(zhì)的其他細(xì)胞的圖形，以及每個(gè)細(xì)胞的所有極小的內(nèi)部組成成分。

新發(fā)布的MICrONS數(shù)據(jù)包含迄今為止比任何此類(lèi)數(shù)據(jù)集都多的細(xì)胞和連接。它足夠大，并可以捕獲整個(gè)局部回路和單個(gè)小鼠神經(jīng)元的近乎完整的3D形狀。一些神經(jīng)元以難以置信的長(zhǎng)距離建立連接，將它們的軸突一路穿過(guò)大腦，進(jìn)行傳送。而這些長(zhǎng)距離連接在這個(gè)數(shù)據(jù)集中沒(méi)有完全體現(xiàn)。但是所選擇的立方毫米體積可以捕捉涉及視覺(jué)的多個(gè)大腦區(qū)域的回路，同時(shí)可盡可能完整地捕捉到整個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)之前與之后

在收集結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之前，貝勒醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在老鼠觀看自然的圖像或電影時(shí)捕捉了它們大腦中這部分神經(jīng)元的活動(dòng)。貝勒醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授、神經(jīng)科學(xué)與人工智能中心主任，MICrONS首席科學(xué)家之一的Andreas Tolias說(shuō)：“新皮質(zhì)包含數(shù)十億個(gè)神經(jīng)元，并通過(guò)數(shù)萬(wàn)億個(gè)連接進(jìn)行交流，就是這些連接賦予了哺乳動(dòng)物驚人的能力。而攻克這個(gè)眼花繚亂的復(fù)雜問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)就在于發(fā)現(xiàn)線(xiàn)路規(guī)則與神經(jīng)元功能特性之間的關(guān)系?！?/p>

“該計(jì)劃是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樗屛覀兘M建起了一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)，來(lái)進(jìn)行一項(xiàng)非常雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)，讓我們能夠回答這個(gè)問(wèn)題，”Tolias表示。

在貝勒實(shí)驗(yàn)之后，艾倫研究所的研究人員保存并切了27,000多個(gè)腦切片，每個(gè)切片只有 40 納米厚，再使用定制的電子顯微鏡捕獲了總共1.5億張這些切片的圖像。切割晝夜不停地進(jìn)行了12天，在此期間，生物學(xué)家、工程師和軟件開(kāi)發(fā)人員輪流值班，確保在切割出錯(cuò)時(shí)立即停止并重新啟動(dòng)儀器。

然后，普林斯頓團(tuán)隊(duì)用深度學(xué)習(xí)“分割”圖像，再分別定義每個(gè)細(xì)胞及其內(nèi)部組件。普林斯頓的軟件工程師、學(xué)生和博士后團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)月艱苦訓(xùn)練后使用了卷積網(wǎng)絡(luò)，將連續(xù)切片圖像與3D圖像堆對(duì)齊，檢測(cè)神經(jīng)元邊界并識(shí)別突觸連接的神經(jīng)元。其中每一步都分布在一次運(yùn)行數(shù)天的巨型計(jì)算機(jī)里。