研究人员利用高分辨率电子显微镜揭示人类大脑隐藏的复杂性

图中显示的是一个神经元和连接它的 5600 根神经纤维（蓝色）。建立这些连接的突触为绿色。图片来源：Google Research 和哈佛大学 Lichtman 实验室。哈佛大学 D. Berger 绘制

要充分了解人类大脑的工作原理，就必须了解构成大脑的各种细胞之间的关系。这就需要在纳米尺度上对大脑结构进行可视化，以便看到神经元之间的联系。

由哈佛大学杰夫-利奇曼（Jeff Lichtman）博士和Google研究院维伦-贾恩（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了高分辨率成像。该组织是从一名患者的大脑皮层中取出的，是癫痫手术的一部分。

研究小组首先将组织切成 5000 多张切片或切面，然后用电磁波对每张切片或切面进行成像。这产生了约 1.4 PB 或 1,400 TB 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三维重建图。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。

研究人员在一小块人类脑组织中构建了几乎每一个神经元及其连接的三维图像。该图像显示了六层神经元，并根据每个细胞中央核心的大小进行了着色。图片来源：Google Research & Lichtman Lab，哈佛大学。哈佛大学 D. Berger 绘制

对样本中单个细胞的分析显示，共有 57000 多个细胞。其中大部分是神经元或神经胶质细胞，前者负责发送电信号，后者则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2比1。最常见的胶质细胞是少突胶质细胞，它们为神经元提供结构支持和电绝缘。一立方毫米的样本中还含有约 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形细胞的神经元，这种神经元存在于大脑皮层的最深一层。其中许多采用了两种方向中的一种，这两种方向互为镜像。这种组织的意义仍不得而知。

研究小组利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特定的靶细胞形成一个突触。但也有一小部分神经元与同一目标细胞形成了两个或多个突触。

至少有一次，一对细胞之间的突触超过了 50 个。虽然很少见，但细胞之间有七个或七个以上突触连接的情况比预期的要常见得多。这表明这些强连接具有一定的功能意义。

这些结果说明了大脑在细胞水平上是多么复杂。它们还显示了连接组学--生成脑细胞间全面连接图谱的科学--对于了解大脑功能的价值。

"'片段'这个词很有讽刺意味，"利奇曼说。"对大多数人来说，一兆兆字节是一个巨大的数字，然而人脑的一个片段--只是人脑中微不足道的一丁点--仍然是数千兆兆字节。"

研究小组向公众开放了他们的数据集。他们还提供了各种软件工具，帮助研究大脑地图。希望该团队和其他团队对这些数据的进一步研究能为人类大脑的运作提供新的见解。

"如果没有研究参与者的慷慨捐赠，如果没有神经科学家、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--捕捉和处理来自大脑的1000多兆字节数据的能力--是不可能实现的，"美国国立卫生研究院大脑计划主任约翰-恩盖博士（Dr. John Ngai）说。"这些合作对于我们实现构建完整的人类大脑图谱的目标至关重要，这样我们就能让治疗更接近临床"。

编译自/ScitechDaily