《Science》揭开人脑隐藏的复杂性

单个神经元有5600个神经纤维与之相连。

　　

研究人员使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，突出了大脑的复杂性，推动了连接组学领域的发展。

• 研究人员绘制了一幅高分辨率的地图，显示了人类大脑中一立方毫米的所有细胞和连接。

• 这一结果揭示了以前未见的大脑结构细节，并为进一步研究提供了资源。

要想充分了解人类大脑的工作原理，就需要了解构成大脑的各种细胞之间的关系。这需要在纳米尺度上可视化大脑结构，以便看到神经元之间的联系。

成像技术和研究方法

由哈佛大学的Jeff Lichtman博士和谷歌研究院的Viren Jain博士领导的一个研究小组，使用电子显微镜(EM)对一个立方毫米大小的人类脑组织进行了高分辨率成像。作为癫痫手术的一部分，该组织从患者的大脑皮层中取出。

研究小组首先将组织切成5000多片，或切片，然后用电子显微镜对每一片切片进行成像。这产生了大约1.4拍字节(1400太字节)的数据。利用这些数据，研究人员生成了样本中几乎每个细胞的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《Science》杂志上。

详细的发现和细胞分析

对样本中单个细胞的分析显示，总共有57,000多个细胞。其中大部分要么是发送电信号的神经元，要么是为神经元提供各种支持功能的神经胶质。神经胶质细胞的数量是神经元的2比1。最常见的胶质细胞是少突胶质细胞，它为神经元提供结构支持和电绝缘。一立方毫米的样本还含有约230毫米的血管。

重建揭示了以前从未见过的结构细节。研究人员分析了一种被称为三角细胞的神经元，这种神经元位于大脑皮层的最深处。它们中的许多都采用了两种取向中的一种，这两种取向互为镜像。这个组织的重要性仍不得而知。

突触和连接

该团队使用机器学习来识别突触——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。几乎所有的神经元都只与给定的目标细胞形成一个突触。但有一小部分形成了两个或更多的突触，指向同一个目标。

至少在一个案例中，超过50个突触连接着一对细胞。虽然很罕见，但细胞之间有7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。

连接组学和大脑的复杂性

这些结果说明了大脑在细胞层面上是多么复杂。他们还展示了连接组学的价值，连接组学是一门生成脑细胞之间连接的综合图谱的科学，用于理解大脑功能。

“‘碎片’这个词是讽刺的，”Lichtman说。“对大多数人来说，1太字节是巨大的，但人脑的一小部分——只是人脑的一小部分——仍然是数千太字节。”

该团队已经向公众开放了他们的数据集。他们还提供了各种软件工具来帮助检查大脑地图。希望这个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——从大脑中捕获和处理超过1000太字节数据的能力——是不可能实现的，”美国国立卫生研究院大脑计划主任John Ngai博士说。“这些合作对于我们建立人类大脑的完整地图的目标至关重要，这样我们就可以将治疗方法更接近临床。”

参考:“A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution” by Alexander Shapson-Coe, Michał Januszewski, Daniel R. Berger, Art Pope, Yuelong Wu, Tim Blakely, Richard L. Schalek, Peter H. Li, Shuohong Wang, Jeremy Maitin-Shepard, Neha Karlupia, Sven Dorkenwald, Evelina Sjostedt, Laramie Leavitt, Dongil Lee, Jakob Troidl, Forrest Collman, Luke Bailey, Angerica Fitzmaurice, Rohin Kar, Benjamin Field, Hank Wu, Julian Wagner-Carena, David Aley, Joanna Lau, Zudi Lin, Donglai Wei, Hanspeter Pfister, Adi Peleg, Viren Jain and Jeff W. Lichtman, 10 May 2024, Science.