图中显示单个神经元有 5,600 条神经纤维（蓝色）与其相连。建立这些连接的突触为绿色。来源：Google Research 和哈佛大学 Lichtman 实验室。效果图由哈佛大学的 D. Berger 绘制
研究人员利用高分辨率电子显微镜对一小块人类脑组织进行成像，生成了超过 57,000 个细胞和近 1.5 亿个突触的 3D 地图。他们的发现揭示了细胞类型和连接的复杂细节，凸显了大脑的复杂性并推动了连接组学领域的发展。
研究人员绘制了人类大脑一立方毫米内所有细胞和连接的高分辨率地图。研究结果揭示了以前未曾见过的大脑结构细节，并为进一步的研究提供了资源。要完全理解人类大脑的工作原理，就需要了解构成大脑的各个细胞之间的关系。这需要在纳米尺度上可视化大脑的结构，以便看到神经元之间的连接。
成像技术与研究方法由哈佛大学 Jeff Lichtman 博士和谷歌研究院 Viren Jain 博士领导的研究小组利用电子显微镜 (EM) 对一块立方毫米大小的人类脑组织进行高分辨率成像。这块组织是从患者大脑皮层切除的，是癫痫手术的一部分。
研究团队首先将组织切成 5,000 多片，然后通过电子显微镜对每片进行成像。这产生了约 1.4 PB（即 1,400 TB）的数据。利用这些数据，研究人员对样本中几乎每个细胞进行了 3D 重建。这项由美国国立卫生研究院资助的研究结果发表在《科学》杂志上。
研究人员在人类大脑组织一小块内构建了几乎每个神经元及其连接的 3D 图像。该图像显示了六层神经元，根据每个细胞中央核心的大小进行着色。图片来源：Google Research 和哈佛大学 Lichtman 实验室。渲染图由哈佛大学的 D. Berger 绘制
详细发现和细胞分析对样本中单个细胞的分析显示，总共有超过 57,000 个细胞。其中大多数是神经元（发送电信号）或神经胶质细胞（为神经元提供各种支持功能）。神经胶质细胞的数量是神经元的两倍。最常见的神经胶质细胞是少突胶质细胞，为神经元提供结构支持和电绝缘。一立方毫米的样本还包含约 230 毫米的血管。
重建结果揭示了之前从未见过的结构细节。研究人员分析了一种名为三角细胞的神经元，这种神经元位于大脑皮层的最深层。其中许多细胞呈两种方向之一，互为镜像。这种组织的意义仍不得而知。
突触和连接研究团队利用机器学习来识别突触，即信号从一个细胞传递到另一个细胞的连接点。他们发现了近 1.5 亿个突触。几乎所有神经元都只与给定的目标细胞形成一个突触。但一小部分神经元与同一目标形成两个或更多个突触。
至少有一例，一对细胞之间有超过 50 个突触连接。虽然罕见，但细胞间七个或更多突触的连接比偶然预期的要常见得多。这表明这些强连接具有一定的功能意义。
连接组学与大脑的复杂性研究结果证明了大脑在细胞层面的复杂性。研究结果还表明，连接组学（生成脑细胞间连接综合图谱的科学）对于理解大脑功能具有重要价值。
“‘碎片’这个词很讽刺，”Lichtman 博士说：“对于大多数人来说，1TB 已经是巨大的数据了，而人脑的一个碎片——哪怕只是人脑中极小的一部分——也足有数千 TB。”
该团队已将他们的数据集向公众开放。他们还提供了各种软件工具来帮助检查大脑图谱。希望该团队和其他团队对这些数据的进一步研究将对人类大脑的运作产生新的见解。
“如果没有研究参与者的慷慨捐赠以及神经科学家、计算机科学家和工程师之间的重要合作，这一令人难以置信的进步（能够捕获和处理来自大脑的超过 1,000 TB 的数据）是不可能实现的，”NIH BRAIN 计划主任 John Ngai 博士说：“这些合作对于我们构建人类大脑完整图谱的目标至关重要，这样我们就可以更接近临床治疗。”
来源：美国国立卫生研究院
免责声明：康嘉年華致力于健康常识分享，内容根据公开资料编辑，版权归原作者；如有侵权请在线留言删除。文章旨在介绍健康科学进展，不能作为治疗方案；如需精准健康指导，请至正规医院诊疗。
