可视化大脑的连接

人脑是一个拥挤的地方。它包含约1000亿个神经元，通过1万亿个突触相互连接。印第安纳大学的神经科学家奥拉夫·斯波恩斯（Olaf Sporns）、哈佛大学的细胞生物学家杰夫·利希特曼（Jeff Lichtman）和麻省理工学院的计算神经科学家塞巴斯蒂安·承（Sebastian Seung）正在绘制这些连接，目标是最终创建整个大脑的“连接组”。

每个神经元都可以被视为一个细胞决策者：它接收到大量信号，并决定将哪些信号传递出去，哪些信号忽略。弄清所有这些决策者之间的相互作用，将使研究人员更接近于创建我们如何感知周围环境和存储记忆的模型。承说：“神经科学中最大的假设之一是，记忆存储在神经元之间的连接中。”通过连接组，或许可以从神经连接中读取单个记忆。

为了应对如此巨大的挑战，斯波恩斯追踪连接人类皮层不同区域的主要通路。利希特曼和承则通过研究小鼠，一次成像一个神经元。到目前为止，只有低等线虫的神经系统被完全绘制出来，它只有300个神经元——与人类大脑庞大的大都市相比，这只是一个神经学上的小村庄。

如何连接一只耳朵

为了追踪单个神经元，哈佛大学的杰夫·利希特曼使用经过基因工程改造的小鼠，它们的DNA中包含水母基因，因此细胞含有荧光蛋白。在蓝光下，神经元发出绿光，计算机软件为200个绿色神经元中的每一个分配了不同的颜色。右侧的神经元“树”传递控制颅骨与耳朵连接肌肉的信号。单个肌纤维以束状出现在末端。利希特曼说，比较这种简单神经通路在幼鼠和成年鼠之间如何变化，有助于揭示大脑随时间重新布线的方式。

四种观察大脑的方式

为了创建这些立方体，麻省理工学院的塞巴斯蒂安·承和他的实验室博士后丹尼尔·伯格（Daniel Berger）从一只小鼠大脑最外层切下了256片微观薄片。每片薄片都在电子显微镜下成像；然后将这些数字图像堆叠起来，构建出切片区域的3D表示（左上）。实际上，这个立方体的宽度只有六千分之一毫米。图像中的每个细胞（包括神经元和被称为神经胶质的支持细胞）都由人工上色，这个过程耗时150小时。为了可视化构成神经元的元素——轴突、树突和细胞体——承和伯格使用计算机在立方体中发现的神经结构周围绘制了3D表面。右下角的图像仅描绘了神经元的轮廓，去除了神经胶质细胞；左下角的立方体可视化了所有轴突，即神经元传递信号的部分。右上角的立方体只显示了树突，即神经元接收信号的部分。这些图像共同揭示了神经系统如何在神经胶质细胞、轴突和树突之间分配空间。

神经元的轨道

在这里，三个小鼠神经元各被染上不同的颜色，以便其细胞体、树突和轴突的表面可见。灰色的“基底”是原始的电子显微镜图像。最终，承希望利用人工智能训练计算机系统自动创建这样的图像，从而加快绘制连接组的繁琐过程。承说，增加挑战的是，个体的连接组会随着神经元根据经验生长新分支和修剪旧分支而随时间变化。

看见结构

麻省理工学院承实验室的博士后维伦·贾恩（Viren Jain），在德国海德堡马克斯·普朗克医学研究所研究人员的帮助下，绘制了兔子视网膜中的神经元。每种颜色代表一个不同的神经元。这些神经元是从用电子显微镜拍摄的大量兔子视网膜单色图像中描绘出来的，例如神经缠结两侧的黑白图像。

一条新路径

印第安纳大学的奥拉夫·斯波恩斯绘制了连接人脑区域的主要通路。他使用一种称为扩散谱成像的技术，通过追踪水分子沿着轴突扩散来描绘神经连接。图像中的5000条蓝线代表轴突束，1000个红点是轴突相遇的突触。斯波恩斯认为，尽管通路明显交织，但大脑可能要复杂得多。“大脑中可能存在的连接中，只有一小部分确实存在，”他说。