你的大脑中约有 1000 亿个神经细胞，多或少。每个细胞与其他约 10,000 个细胞相连。它们共同形成约一百万亿个连接。通过这个电生物网格，每天会传输约 8.6 百万亿条信息。
如果这些数字让你头晕目眩，不妨试试这个比较：每天，全球总人口大约拨打 500 亿个手机电话，发送 170 亿条短信和 3000 亿封电子邮件。换句话说，地球上每个人每天的数字通信总量不到大脑细胞之间每天发送信号数量的 1/200。大脑确实会让自己大吃一惊。
因此，神经科学家通常通过简化来研究大脑中细胞和纤维的繁忙网络，一次检查少数蛋白质或细胞。但隔离大脑的小部分是有局限性的，因为大脑的基本功能是整合信息。这团重达三磅、极其复杂的肉块远远大于其各部分之和。
因此，研究人员现在正试图一次性全面了解整个大脑。在“连接组学”的旗帜下，哈佛大学、马克斯·普朗克研究所等机构的研究人员正在绘制小鼠大脑大块区域的连接图。在艾伦脑科学研究所和加州大学圣迭戈分校，神经科学家与可视化和生物信息学专家合作，创建了人类和小鼠大脑的综合图谱。与谷歌地图将地球的不同视图结合起来，例如允许您将交通模式叠加在道路地图上一样，这些交互式 3D 图集将大脑结构图像与其中细胞行为信息相结合。下载该软件，您就可以浏览大脑最大的特征，然后放大检查其中微小细胞亚群的基因活性。
通过扩大我们的视野，这些努力将试图扩大我们的理解。“大脑皮层是一个极其互联的电路，零散地看待它可能无法让我们获得整体——事物的逻辑，”哈佛医学院神经生物学家 R. Clay Reid 说，他参与了一个连接组学项目。大脑皮层是我们大部分思考发生的区域，由约 1500 万个相似的细胞块组成。这种重复的架构不知何故允许了巨大的认知多样性；我们的大脑使用相同的基本机制来解读视觉场景、写十四行诗或计划午餐。Reid 说，这种多样性是由连接的多样性实现的。追踪神经连接可以揭示大脑如何成为一个惊人灵活的信息处理设备。
与大脑的复杂性相符的是，绘制这些地图的工作是惊人的。例如，艾伦人类大脑图谱包含 1000 个解剖区域的 1 亿个数据点。实现如此详细的程度得益于廉价、强大的计算机的可用性；新的成像技术的普及；自动化劳动密集型实验室程序的专用机器人；以及新的生物学技巧，例如插入发光基因以使特定脑细胞发光。
就像第一次从太空看到地球一样，这些全脑项目将不可挽回地拓宽我们对世界的视角。
宏观图景
一张五彩斑斓的大脑图景展示了多巴胺的作用位点，多巴胺是一种调节新奇感和愉悦感的大脑化学物质。艾伦脑科学研究所的可视化专家创建了这些图像，以展示这些视图如何阐明大脑的功能和功能失调。大脑中异常的多巴胺处理与精神分裂症、注意力缺陷障碍和帕金森病等问题有关。
在这里的广角视图中，主要的大脑结构以彩色编码的透明度显示。每个斑点都标记着多巴胺转运蛋白基因 DAT 高度活跃的地方，该基因产生大量将多巴胺吸入神经细胞的蛋白质。
艾伦人类大脑图谱中的数据维度使科学家能够自由地探索大脑内部。例如，对精神分裂症感兴趣的科学家可能会查看 DAT 在患者脑部扫描中似乎功能异常的解剖区域的表达量，以此来关联疾病的遗传学与症状和解剖学。“我们正试图帮助研究人员产生假设，引导他们找到下一个重大发现，”艾伦研究所人类大脑图谱项目经理 Elaine Shen 说。该图谱可在线免费获取，是首次全面绘制大脑中表达的每个基因的努力。为此，研究人员将捐赠的两颗大脑切成极薄的切片，然后进行扫描并分析其生物化学；机器人协助了这项工作。艾伦研究所的员工现在正在向图谱中添加更多的大脑。该项目预计明年完成，最终的费用估计将达到 5500 万美元。
小鼠大脑的内部
小鼠大脑内的神经景观是 Whole Brain Catalog 的一部分，这是一个在加州大学圣迭戈分校 (UCSD) 创建的开源 3D 大脑图谱。该程序建立在为电子游戏开发的软件之上，允许任何用户在（虚拟）大脑中穿梭，倾斜和平移以查看解剖结构并放大单个细胞。
左上：海马体中的齿状回，该区域对记忆形成很重要。将一个区域放大约 10 倍，下一张图像显示了海马体中的一层单个颗粒细胞，看起来像一排排石榴籽。再次放大十倍，Catalog 显示了单个神经元的细节，包括形成与其他细胞连接的数百个微小刺状突起——树突棘。（这些图像来自实际的小鼠大脑，略有修改以使细胞内部可见。）最后一张图像显示其中一个棘状突起与另一个神经元的绿色分支相接触——与第一张图像相比，总放大倍数接近 100,000 倍。这一系列图像展示了项目创始人 Mark Ellisman 所说的“大脑的尺度暴政”。Whole Brain Catalog 打破了这种暴政，揭示了大小结构。
这些信息只是开始；Catalog，由 Ellisman 和研究生 Stephen Larson 开发，为收集来自世界各地神经科学实验室的大量信息提供了一个框架。与谷歌地图一样，该软件为多种类型的信息提供了空间背景；与维基百科一样，这些信息将主要由用户提供。最终，Whole Brain Catalog 可以整合小鼠大脑每个点上的化学、遗传、解剖和电数据，使研究人员能够探索它们之间的所有关系。UCSD 的神经科学家 Ellisman 表示，如此规模的项目只有通过合作才能实现。“如果我们找不到通过众包来做这件事的方法，我们就无法在解决大脑问题上取得多大进展。这是整整一代科学家的辛勤工作。”
电路的构建
两张图像提供了小鼠大脑中一个小电路的不同视图，显示了 21 个彩色编码的神经元。大脑皮层中的锥体细胞，负责处理相对原始的视觉信息并通过化学刺激其他细胞向前传递，显示为彩色球体。这些神经元对来自眼睛的特定类型的视觉输入做出反应；不同的颜色表示每个细胞最强反应的特定方向（水平、45 度、垂直等）。锥体细胞还与抑制性神经元（显示为浅蓝色）连接，这些神经元调节电信号。
为了创建这张图像，Reid 在哈佛医学院的团队中的神经科学家 Davi Bock 和 Wei-Chung Allen Lee 记录了小鼠活体大脑皮层中数十个相互连接的细胞的活动。然后，将动物的大脑切成微米厚的切片，并使用电子显微镜进行成像。计算机合并了这些图像以创建完整的 3D 重建；最后，手工描摹了细胞轮廓。在插图中，可以看到相同的神经元处于这个小块大脑的背景中；它们似乎从上面的神经组织中探出头来。
研究人员不仅能够显示神经细胞在做什么，还能显示它们是如何连接的。这个早期的连接组——一个大脑连接的视觉目录——相对适度，但 Reid 的团队现在正在使用相同的技术来同时绘制数千个神经元的解剖连接和相互关联的活动。“我们可能需要几年时间才能追踪数百万个连接，但我很惊讶如果我们十年内做不到，”Reid 说。
