谷歌人工智能绘制的新 3D 地图揭示了“神秘但美丽”的人脑切片

哈佛大学和谷歌研究人员合作，以前所未有的细节绘制了成年人脑的一小块碎片。

研究人员以前所未有的规模绘制了人类大脑的一小部分地图，生动地详细描述了每个脑细胞或神经元，以及它们与其他细胞形成的复杂网络。

这张由哈佛大学和谷歌研究人员构建的开创性大脑地图揭示了大约 57,000 个神经元、9 英寸（230 毫米）的血管和 1.5 亿个突触，或神经元之间的连接点。

博士。哈佛大学分子和细胞生物学教授杰夫·利希特曼 (Jeff Lichtman) 是这个长达 10 年的项目的共同领导者，他说，当他第一次看到详细的地图时，他简直不敢相信。 “我以前从未见过这样的事情，”他告诉《生活科学》。  

人类大脑是一个极其复杂的器官，拥有大约 1700 亿个细胞，其中包括 860 亿个神经元。研究人员此前曾使用磁共振成像（MRI）以毫米为单位观察大脑。最近，先进的显微镜技术在更小的尺度上揭示了细节，提高了我们对大脑内部运作的理解。 

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现在，利用这些显微镜方法和称为机器学习的人工智能 (AI) 系统，Lichtman 和他的同事已经从一块大脑中创建了纳米级或百万分之一级的 3D 地图。一毫米。这以科学家迄今为止获得的最高分辨率呈现该器官的图片。 

由此产生的细胞图谱发表在 5 月 9 日的《科学》杂志上，也可以供科学家在线阅读。

这张地图描绘了一小块大脑，其体积约为 1 立方毫米——比一粒米还小。整个成年人的大脑要大一百万倍。

该大脑碎片取自一名 45 岁女性，她曾接受过治疗癫痫的脑部手术。医生从大脑皮层（她大脑的最外层）中取出了这块碎片。将样本固定在防腐剂中后，研究人员用重金属对其进行染色，以帮助他们看到细胞。然后，他们将组织嵌入树脂中，并将其切成 5000 多片，每片厚度约为 30 纳米。 

利希特曼说：“这大约是一根发丝厚度的千分之一。”研究小组用高速电子显微镜扫描了每个切片，该显微镜使用多束电子来照亮样本中的细胞。然后他们将显微镜数据发送给谷歌，以便使用人工智能进行进一步分析。

谷歌的研究人员使用机器学习模型来识别不同显微图像中的同一对象，然后为所有图像中的每个对象创建 3D 渲染。然后，他们以电子方式将渲染图拼接在一起，以三维方式重建整个样本。最终的 3D 地图包含 1.4 拍字节（即 100 万千兆字节）的庞大数据。

谷歌高级科学家 Viren Jain 表示：“该项目生成的数据量巨大且复杂，需要 Google 具备开发最先进的机器学习和 AI 算法来重建 3D 连接组的能力。”共同领导了该项目，在一封电子邮件中告诉《生活科学》。

科学家们绘制的详细地图包含了一些令人惊讶的内容。例如，他们发现一些神经元的引出线或轴突将自己包裹成结，形成贾恩描述的“神秘但美丽”的螺旋。研究小组还发现神经元之间存在罕见的连接，其中单个轴突与多达 50 个突触相连。 

“我们仍在研究这些连接的功能，但它们可以解释非常快的反应或非常重要的记忆是如何编码的，”杰恩告诉《生活科学》。 

利希特曼指出，这些螺旋和超强突触是否与组织捐赠者的癫痫症有关，或者它们是否会出现在没有这种情况的人的大脑中，还有待观察。他补充说，该团队现在正在检查帕金森氏症患者的脑组织，因此可能会开始解决这个问题。

他补充说，任何两个人的脑组织样本不太可能看起来完全相同，部分原因是大脑线路本身的方式取决于个人的经历。

该团队下一步的目标是绘制小鼠整个大脑的图谱，其大小是人类大脑样本的 500 倍。他们从海马体开始，海马体是学习和记忆的关键区域。 

“我们已经开始了这项雄心勃勃的任务，”利奇曼说。

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