圖中顯示單個神經元有 5,600 條神經纖維（藍色）與其相連。建立這些連線的突觸為綠色。來源：Google Research 和哈佛大學 Lichtman 實驗室。效果圖由哈佛大學的 D. Berger 繪制
研究人員利用高分辨率電子顯微鏡對一小塊人類腦組織進行成像，生成了超過 57,000 個細胞和近 1.5 億個突觸的 3D 地圖。他們的發現揭示了細胞型別和連線的復雜細節，凸顯了大腦的復雜性並推動了連線組學領域的發展。
要完全理解人類大腦的工作原理，就需要了解構成大腦的各個細胞之間的關系。這需要在奈米尺度上視覺化大腦的結構，以便看到神經元之間的連線。
成像技術與研究方法
由哈佛大學 Jeff Lichtman 博士和谷歌研究院 Viren Jain 博士領導的研究小組利用電子顯微鏡 (EM) 對一塊立方公釐大小的人類腦組織進行高分辨率成像。這塊組織是從患者大腦皮層切除的，是癲癇手術的一部份。
研究團隊首先將組織切成 5,000 多片，然後透過電子顯微鏡對每片進行成像。這產生了約 1.4 PB（即 1,400 TB）的數據。利用這些數據，研究人員對樣本中幾乎每個細胞進行了 3D 重建。這項由美國國立衛生研究院資助的研究結果發表在【科學】雜誌上。
研究人員在人類大腦組織一小塊內構建了幾乎每個神經元及其連線的 3D 影像。該影像顯示了六層神經元，根據每個細胞中央核心的大小進行著色。圖片來源：Google Research 和哈佛大學 Lichtman 實驗室。渲染圖由哈佛大學的 D. Berger 繪制
詳細發現和細胞分析
對樣本中單個細胞的分析顯示，總共有超過 57,000 個細胞。其中大多數是神經元（發送電訊號）或神經膠質細胞（為神經元提供各種支持功能）。神經膠質細胞的數量是神經元的兩倍。最常見的神經膠質細胞是少突膠質細胞，為神經元提供結構支持和電絕緣。一立方公釐的樣本還包含約 230 公釐的血管。
重建結果揭示了之前從未見過的結構細節。研究人員分析了一種名為三角細胞的神經元，這種神經元位於大腦皮層的最深層。其中許多細胞呈兩種方向之一，互為映像。這種組織的意義仍不得而知。
突觸和連線
研究團隊利用機器學習來辨識突觸，即訊號從一個細胞傳遞到另一個細胞的連線點。他們發現了近 1.5 億個突觸。幾乎所有神經元都只與給定的目標細胞形成一個突觸。但一小部份神經元與同一目標形成兩個或更多個突觸。
至少有一例，一對細胞之間有超過 50 個突觸連線。雖然罕見，但細胞間七個或更多突觸的連線比偶然預期的要常見得多。這表明這些強連線具有一定的功能意義。
連線組學與大腦的復雜性
研究結果證明了大腦在細胞層面的復雜性。研究結果還表明，連線組學（生成腦細胞間連線綜合圖譜的科學）對於理解大腦功能具有重要價值。
「‘碎片’這個詞很諷刺，」Lichtman 博士說：「對於大多數人來說，1TB 已經是巨大的數據了，而人腦的一個碎片——哪怕只是人腦中極小的一部份——也足有數千 TB。」
該團隊已將他們的數據集向公眾開放。他們還提供了各種軟體工具來幫助檢查大腦圖譜。希望該團隊和其他團隊對這些數據的進一步研究將對人類大腦的運作產生新的見解。
「如果沒有研究參與者的慷慨捐贈以及神經科學家、電腦科學家和工程師之間的重要合作，這一令人難以置信的進步（能夠捕獲和處理來自大腦的超過 1,000 TB 的數據）是不可能實作的，」NIH BRAIN 計劃主任 John Ngai 博士說：「這些合作對於我們構建人類大腦完整圖譜的目標至關重要，這樣我們就可以更接近臨床治療。」
來源：美國國立衛生研究院
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