Nature发布神经学里程碑成果

　　

生物通报道   即便是大脑中最简单的神经元网络也是由数百万的连接所构成，探究这些庞大的网络对了解大脑的运作机制至关重要。

由艾伦脑科学研究所、哈佛医学院和Flanders神经电子学研究中心(NERF)的R. Clay Reid、Wei Chung Allen Lee和Vincent Bonin领导的一个国际小组，发布了迄今为止最大的大脑皮层神经元连接网络，揭示出了有关大脑中网络组织机制的几个关键要素。他们的研究结果发布在3月28日的《自然》（Nature）杂志上。

艾伦脑科学研究所资深研究员R. Clay Reid博士说：“这是近十年前启动的一个研究项目的一次高潮。大脑网络太大、太复杂无法零碎地了解，因此我们利用了一些高通量技术来收集大脑活动和大脑布线的庞大数据集。我们发现这一努力是绝对值得的，我们正在了解有关大脑网络结构及最终大脑结构如何与功能关联的丰富信息。”

论文的主要作者、哈佛医学院神经生物学讲师Wei-Chung Lee博士说：“尽管这项研究是研究工作实质性章节中一个具有里程碑意义的时刻，这仅仅是个开始。通过发现回路布线和神经元网络计算之间的关系，我们现在拥有了一些工具来着手对大脑实施逆向工程。”

Flanders神经电子学研究中心项目负责人Vincent Bonin说：“数十年来，研究人员一直在孤立地研究大脑活动和布线。我们所取得的成果就是以前所未有的细节为这两个领域架起桥梁，将神经电活动与它们彼此之间的纳米级突触连接联系起来。”

Lee补充说：“我们已在大脑皮层网络中发现了模块结构的首批解剖学证据，以及神经元间功能特异性连接的结构基础。我们采用的方法使得我们能够定义神经回路的组织原理。我们现正在做好了准备去发现大脑皮质连接模体（motif），它们有可能是大脑皮层网络功能的基本构件。”

Lee和Bonin首先在小鼠视觉皮层中鉴别了响应特殊视觉刺激，例如屏幕上的竖条或横条的神经元。Lee随后制作了超薄脑切片，捕获了这些目标细胞和突触数百万张详细的图像，随后进行了三维重建。美国两海岸的注释者团队同时通过一些3D图像追踪了单个神经元，并定位了单个神经元之间的连接。

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分析这些丰富的数据生成了一些结果，包括第一个直接的结构证据支持这一观点：完成相似任务的神经元比执行不同任务的神经元更有可能彼此连接。并且，尽管与执行完全不同功能的许多其他神经元缠结在一起，这些连接更大。

Reid 说：“这项研究独特的组成部分是结合了功能成像和详细的显微镜学。这些微观数据达到了前所未有的规模和细节。我们通过首先了解了特定神经元的功能获得了一些非常强大的知识，随后观察了它是如何连接完成相似或不同工作的神经元的。”

Reid说：“这就像一个乐手随机就坐的交响乐团。如果你只听附近的一些音乐家，这没有意义。通过听每一个人，你将会理解音乐；它实际变得更加简单了。如果随后你去问询每个音乐家都听谁的，或许你甚至可以搞清楚他们是如何创作音乐的。这里没有指挥，因此管弦乐团需要进行沟通。”

大脑神经元组成了复杂而庞大的网络，这一网络控制着我们的行为和情绪。大脑内到底有多少种神经元，数十年来这个问题一直困扰着科学家们。哥伦比亚大学的研究人员在2016年3月的Cell杂志上发表两篇文章，向人们展示了一种能够全面鉴定神经元类型的新方法。这种方法将成为强大的神经学研究工具，帮助人们定量分析大脑所有区域的神经元多样性（两篇Cell发布神经学强大工具 ）。

来自贝勒医学院，德国蒂宾根大学等处的研究人员以前所未有的分辨率，绘制了一副成体小鼠大脑皮层神经图谱，并从中找到了15种不同类型的神经元，其中有一些是首次被发现。这一研究成果公布在2015年11月的Science杂志上（华人博士Science发现多种新型神经元 ）。

不同的大脑区域必须相互沟通才能控制复杂的思想和行为，但目前对于这些区域组织成为广阔神经元网络的机制却相对知之甚少。在发表在2014年2月Cell杂志上的一项研究中，研究人员绘制出了一张小鼠全脑图谱，揭示了大脑皮质中数百条神经元通路。这一在线开放获取的交互式图像数据库：小鼠连接组项目（Human Connectome Project），为有兴趣研究整个大脑皮质网络构造和功能的研究人员提供了一个宝贵的资源（华人学者Cell绘制小鼠大脑神经网络图 ）。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Anatomy and function of an excitatory network in the visual cortex

Circuits in the cerebral cortex consist of thousands of neurons connected by millions of synapses. A precise understanding of these local networks requires relating circuit activity with the underlying network structure. For pyramidal cells in superficial mouse visual cortex (V1), a consensus is emerging that neurons with similar visual response properties excite each other1, 2, 3, 4, 5, but the anatomical basis of this recurrent synaptic network is unknown. Here we combined physiological imaging and large-scale electron microscopy to study an excitatory network in V1. We found that layer 2/3 neurons organized into subnetworks defined by anatomical connectivity, with more connections within than between groups. More specifically, we found that pyramidal neurons with similar orientation selectivity preferentially formed synapses with each other, despite the fact that axons and dendrites of all orientation selectivities pass near (<5 μm) each other with roughly equal probability. Therefore, we predict that mechanisms of functionally specific connectivity take place at the length scale of spines. Neurons with similar orientation tuning formed larger synapses, potentially enhancing the net effect of synaptic specificity. With the ability to study thousands of connections in a single circuit, functional connectomics is proving a powerful method to uncover the organizational logic of cortical networks.