有史以来最详细的人脑组织三维重建产生了令人惊讶的见解

发布时间：2024年5月30日通过Monica M.Bertagnolli博士

国家卫生研究院通过先进的创新神经技术进行大脑研究®（BRAIN）倡议近年来，该研究扩大了科学家对人脑的理解，对单个细胞和复杂神经回路动态互动的方式提供了迷人的见解，使我们能够思考、感觉和行动。但神经科学家仍有更多的知识要学习，关于我们的大脑是如何在最基本的亚细胞水平上组合在一起的。 

作为朝着这个方向迈出的一步，在一项新的研究中，该研究得到了NIH BRAIN Initiative的部分支持，并发表在杂志上科学类,研究人员已经绘制出了有史以来最详细的纳米级分辨率的脑组织图，该图由一立方毫米的脑组织构成，约为半粒米大小。

尽管它的体积很小，但这块健康的大脑碎片包含大约57000个不同类型的细胞，230毫米的血管，1.5亿个神经连接或突触，以及保护神经元的髓鞘。为了生动地捕捉所有细节，研究人员依靠电子显微镜收集了令人印象深刻的1400 TB的成像数据。从长远来看，1TB的数据足以在智能手机上存储100000张照片。

尽管由于数据量巨大，还有更多细节需要分析，但这张令人印象深刻的详细亚细胞图已经揭示了多种以前从未见过的大脑结构。这包括首次描述的大脑深层的一类三角形神经元。地图还显示了轴突，即携带电脉冲的神经细胞的长延伸，有多达50个突触和其他不寻常的结构，包括排列成广泛螺旋状的轴突，现在需要进一步研究。

这些发现来自于一个由杰夫·W·利希特曼马萨诸塞州剑桥市哈佛大学，以及加利福尼亚州山景城谷歌研究中心的Viren Jain。他们认识到，充分理解人脑需要了解其最基本的结构。虽然制作这种地图所需的成像技术是可用的，但也存在其他障碍，包括用于研究的健康和高质量的人脑组织样本有限。

大多数脑部活组织检查都是为了检查或取出异常生长的细胞或组织，使其不适合了解大脑的正常构成。在这种情况下，研究人员能够从癫痫患者在正常手术过程中取出并准备处理的脑组织中获得一个微小的样本。研究人员首先对保存的样本进行染色，使细胞更容易单独追踪，然后将其切成5000层薄片进行显微成像。

为了将这些切片重新组合成完整的3D重建，研究人员依靠人工智能（AI）模型。由于数据集太大，任何一个小组都无法进行全面分析，因此他们在一个在线资源他们还为进一步分析和校对提供了工具。

虽然还有很多事情要做，但这些发现提供了原理证据，证明有可能在这个非常详细的层面上对大脑进行可视化。这是目前由BRAIN倡议跨规模连接（BRAIN CONNECTS）计划.BRAIN CONNECTS将开发并放大工具，以生成一张同样详细的完整小鼠大脑地图，该地图约为人脑碎片的1000倍。研究人员现在希望他们的3D地图和其他类似的地图能够投入使用，以更全面地了解正常和紊乱的大脑功能。

参考：

[1] Shapson系数A，等.以纳米分辨率重建人大脑皮层的花叶素片段.科学类DOI:10.1126/science.adk4858（2024）。

NIH支持：NIH BRAIN倡议， 美国国家心理健康研究所