要了解我们的大脑是如何工作的，就必须研究不同的大脑区域是如何通过神经纤维相互连接的。 在《科学》杂志上，人脑计划 (HBP) 的研究人员回顾了该领域的现状，提供了关于大脑连接组如何在不同空间尺度（从分子和细胞到宏观水平）上构建的见解，并评估了现有方法 以及理解连接体复杂组织的未来需求。

人脑计划 (HBP) 科学家利用独特的多尺度方法，结合各种实验方法，研究大脑连接组的复杂组织。 他们结合了解剖和扩散磁共振成像、双光子荧光显微镜和 3D 偏振光成像等技术，以可视化和理解不同空间尺度的神经纤维。 他们的发现与 Julich Brain Atlas 相关联以供参考，揭示了对不同大脑区域的连接性和功能的新见解。

“用一种甚至两种方法研究大脑连接是不够的，”作者兼 HBP 科学主任 Katrin Amunts 说，他领导着 Forschungszentrum Jülich 和 C. & O 的神经科学与医学研究所 (INM-1) . 杜塞尔多夫大学医院福格特大脑研究所。 “连接组嵌套在多个层次上。 为了理解它的结构，我们需要通过在多尺度方法中结合不同的实验方法，并将获得的数据整合到我们开发的 Julich Brain Atlas 等多层次地图集中，同时观察多个空间尺度。”

来自 Forschungszentrum Jülich 和伍珀塔尔大学物理系的 Markus Axer 是科学文章的第一作者，他和他在 INM-1 的团队开发了一种称为 3D 偏振光成像 (3D-PLI) 的独特方法来可视化神经 微观分辨率下的纤维。 研究人员在连续的大脑切片中追踪纤维的三维路线，目的是开发整个人类大脑的 3D 纤维图谱。

3D 偏振光成像揭示了人脑部分的细节，显示了海马体中细至单个轴突的纤维结构。 颜色代表 3D 纤维方向，突出显示单个纤维和纤维束的路径。 图片来源：Markus Axer 和 Katrin Amunts，INM-1，Forschungszentrum Jülich

与来自法国 Neurospin 和意大利佛罗伦萨大学的其他 HBP 研究人员一起，Axer 和他的团队最近使用几种不同的方法对人类海马体的相同组织块进行了成像：解剖和弥散磁共振成像（aMRI 和 dMRI），两个 -分别为光子荧光显微镜 (TPFM) 和 3D-PLI。

像 TPFM 这样的显微镜方法提供了小脑体积的亚微米分辨率图像，揭示了大脑大脑皮层的微观结构，但它们在解开连接遥远大脑区域的纤维方面有其局限性，这些纤维构成了深部白质结构。 对于电子显微镜测量来说更是如此，它可以对立方毫米的脑组织进行纳米分辨率的观察。 相比之下，dMRI 可用于全脑水平的纤维束成像——可视化白质连接——但无法分辨单个纤维或小束。

“3D-PLI 充当微观和宏观方法之间的桥梁，”Amunts 说。 “这是因为 3D-PLI 以高分辨率解析了纤维结构，同时允许对全脑切片进行成像，然后我们可以在 3D 中重建以追踪纤维连接。”

结合 dMRI、TPFM 和 3D-PLI 使研究人员能够在同一参考空间内叠加三种模式。 “这种数据整合只有通过对同一个组织样本进行成像才能实现，”Axer 解释道。 人类海马体块从德国到法国，再回到德国，最后到达意大利，在受益于当地高度专业化设备的不同实验室中进行处理和成像。

研究人员使用 Julich Brain Atlas 将他们的数据空间锚定在解剖学参考空间中。 三维图谱包含 250 多个大脑区域的细胞构造图，构成了 HBP 多层次人类大脑图谱的核心。 “我们的大脑图谱使我们能够准确定位我们在大脑中找到这些微结构的位置，”Amunts 解释说。 该数据集可通过 HBP 的 EBRAINS 基础设施公开访问，并可在交互式地图集查看器中浏览。

研究人员采用多尺度方法结合不同空间尺度的多种模式来揭示人类连接组是独一无二的，并为人类大脑的工作方式提供了令人兴奋的新见解。

尽管海马体重建是一个灯塔项目，但有几项正在进行（或即将开始）的国际努力需要在开放的地图集级别上进行协调，以实现多尺度数据的整合。 Amunts 和 Axer 强调，这是在实验可及的尺度范围内揭示连通性原则的先决条件——从轴突到通路。 换句话说，需要一种结合微观和宏观方法的综合多尺度方法来描述和理解人脑的嵌套组织。 这组作者说，这需要对当前的方法进行严格的重新评估，包括纤维束成像术。