Nature Metabolism：突破性的人工智能工具生成大脑的3D地图

Nature Metabolism：AI-driven framework to map the brain metabolome in three dimensions

就像谷歌地球之于大脑一样，新的人工智能工具可以构建复杂的小鼠大脑地图。

　　

这是一个前所未有的详细的大脑视图。

在一项重大的技术飞跃中，佛罗里达大学的研究人员创造了一种强大的新型计算和人工智能工具，可以在老鼠体内生成高分辨率的大脑3D地图，允许用户从各个角度放大和缩小，就像谷歌地球地图一样，并窥探为大脑功能产生能量的全部分子。

这个由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助的新的人工智能驱动工具，使科学家们更接近于更全面地了解代谢在阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病中的作用。它可能为发现靶向治疗开辟一系列新的可能性。

由Ramon Sun博士领导的研究小组今天在《自然-代谢》杂志上发表了一篇报告，详细介绍了他们如何使用佛罗里达大学的超级计算机HiPerGator开发突破性的MetaVision3D工具。为了证明这一原理，他们在正常小鼠和患有阿尔茨海默病和庞贝病（一种罕见的遗传疾病）的小鼠模型中生成了一个3D互动的大脑图谱。Sun的实验室已经公开了它的数据库和网络服务器，以支持越来越多的科学家研究新陈代谢和思维之间的联系。

“使用我们的方法，我们可以绘制大脑中数千个分子的地图，并精确地定位它们在每个大脑区域中的位置。这是前所未有的，”孙说，高级空间生物分子研究中心主任和佛罗里达大学麦克奈特大脑研究所创新副主任。“如果没有NIH的资助，我们不可能做到这一点。这笔资金将推动我们努力发现阿尔茨海默氏症的代谢驱动因素，并为预防和治疗这种毁灭性疾病的新干预措施铺平道路。”

在线用户可以在3D重建中探索组织的每个部分，这阐明了传统2D地图中看不到的细微复杂性，为细胞代谢（受饮食、运动和遗传的影响）以及疾病机制提供了新的见解。

“在谷歌Earth上，我可以放大一座城市，看看房子是什么样子，街道是什么样子，那里有什么汽车。这就是我们在这个三维空间中为老鼠大脑提供的分辨率水平，以及它们在疾病期间是如何变化的，”孙说，他也是佛罗里达大学医学院生物化学和分子生物学系的副教授，该学院是佛罗里达大学健康部的一部分。“你可以探索和检查影响思维、记忆和大脑健康的分子，包括那些与神经退行性疾病有关的分子。你可以绘制出所有不同的分子，以及它们如何在精细的大脑结构中组织和分布。”

为了实现从2D到3D的跳跃——Sun将其比作从翻盖手机到智能手机的技术飞跃——他的实验室使用高科技成像机器一次扫描了79个薄薄的大脑切片，该机器可以识别和计算脂肪和碳水化合物等分子，这些分子是大脑功能的必需营养素。

“然后，我们使用人工智能将这些图像对齐，并将它们堆叠在一起，以重建整个大脑代谢组，”该论文的第一作者、生物统计学博士生马欣（音）说。他的导师是孙和李晨（音译）博士。

下一步，他们与佛罗里达大学认知衰老和记忆临床转化研究中心主任萨拉·伯克博士一起，绘制了与分子相关的解剖图，并用数学方法验证了准确率在95%到99%之间，孙说。

展望未来，研究人员可以将地图制作工具与已建立的MRI成像和基因分析相结合，致力于开发针对大脑精确区域的治疗方法，而不是像目前的治疗方法那样也可以影响大脑的非病变部位。

“对于疾病的预防和治疗，我们为生物学家开辟了一个新的研究角度，”该论文的共同通讯作者、佛罗里达大学公共卫生与卫生专业学院生物统计学副教授陈说。