小鼠连接组的俯视 3D 视图。资料来源：艾伦脑科学研究所 大脑是一个极其复杂的器官。例如，微小的小鼠大脑包含超过 8600 万个神经元，每个神经元有超过 1000 个不同的连接，聚集在不同的分组中。从某种意义上说，神经网络就像城市之间复杂的公路系统。为了导航大脑，研究人员将需要一些地图，而其中两张最详细的地图刚刚被创建。来自西雅图艾伦脑科学研究所的科学家们仔细研究了海量数据集，构建了两张新地图：一张是人类大脑发育中的基因表达图，另一张是小鼠大脑的神经网络图。这些公开可用的地图将作为世界各地研究人员的资源。这些数据已经揭示了有关自闭症形成以及哺乳动物大脑处理信息方式的宝贵见解。科学家们在今天发表在《自然》杂志上的两篇独立论文中分享了他们的发现。
大脑路线图
小鼠皮层中四个不同视觉区域（绿色、黄色、红色、橙色）之间的连接在 3D 中可视化。这些区域彼此高度互联，并与丘脑（粉色）和中脑（紫色）中涉及视觉的其他区域互联。资料来源：艾伦脑科学研究所 在第一项研究中，科学家们创建了小鼠大脑的布线图——即连接组。其结果是迄今为止任何哺乳动物神经网络最详细的地图。为此，研究人员注射了基因工程改造的示踪病毒，以照亮 1700 多个小鼠大脑的神经通路。然后，他们以小于一微米的精度对器官进行成像——比人类头发直径小 50 倍——并将数据组装成连接的 3D 图。总共，研究人员收集了 1.8 PB 的数据——相当于近 24 年的高清连续视频。洪奎·曾（Hongkui Zeng）及其同事利用这些数据证明了高度特异性的连接模式。例如，小鼠大脑具有大量的弱连接和少量的非常强的连接。“这告诉我们，大脑以一种非常特定、量化的方式整合信息，”曾说。“这些强弱连接是否相互平衡？这是否会增强大脑的计算能力？这是一个非常有趣的观察。”
地图绘制的下一步
曾说，他们计划深入挖掘数据，绘制从一个区域到另一个区域更小的“街道”。她还想比较健康小鼠和患病小鼠的布线图，以确定神经系统疾病是否会改变连接组。尽管该图集是一个强大的资源，但它仅仅是开始。这张地图只显示了连接的结构，但它并没有让我们看到这些连接的功能。“这张地图为未来的工作奠定了基础，但我们还有很长的路要走，”曾说。“这主要是因为它是一张静态的路线图。仅有路线图是不够的，因为你还想观察交通模式。”
基因表达图谱
今天发表的第二项研究代表了迄今为止制作的最详细的胎儿人脑地图。研究人员使用激光显微切割技术对四个胎儿发育中的人脑的片段进行切片和染色。这项技术突出了每个部分中哪些基因是活跃的，然后研究人员将它们组装成一个高分辨率的蓝图，展示了大脑发育过程中基因是如何开启和关闭的。然后，他们将目光投向了自闭症，这是一种已知与早期大脑发育有关的疾病。“我们选择了一组可能与自闭症相关的基因，并询问它们在发育中的皮层中是否存在特定的模式，答案是肯定的，”艾伦研究所的首席研究员 Ed Lein 说。“这是又一个证据表明自闭症的根源很可能在产前。”他们发现与自闭症相关的基因与皮层中新生成的神经元有关。
