谷歌发布史上最高分辨率大脑连接图

这个新的「连接体」描绘了果蝇大脑中大约万个神经元，这里显示了其中的一部分

来自谷歌和霍华德·休斯医学研究所（HHMI）的Janelia研究园区（Janelia ResearchCampus）FlyEM团队的研究人員，在近日发布了有史以来最高分辨率的动物大脑连接图———半脑连接组（hemibrain connectome），这是重建的首个突触级连接组。

研究人员分享了一个3D模型，该模型追踪了果蝇大脑中约2.5万个神经元的2000万个突触，它们可以被分成数千种不同的细胞类型，横跨大脑的几个区域。该模型是连接学领域的一个里程碑，它使用详细的成像技术来绘制大脑的物理路径。此前，只有C. elegans的大脑能被完整地描绘成这样。半脑连接组覆盖了果蝇大脑的约1/3，包括蘑菇体和对联想学习和飞行导航至关重要的复杂脑回路;时钟神经元迂回，包括内积体也可以揭示睡眠机制相关原理;此外，根据现有的光学显微镜图像数据和以前在视叶的部分连接体重建，它还确定了大多数进入中央脑区域的视叶神经元，从而可以分析后续的视觉处理。

果蝇被公认为是被人类研究最为彻底的生物之一，果蝇相关的研究推动了分子生物学、遗传学和神经科学的发展，目前有8个诺贝尔奖归属于果蝇的相关研究。果蝇的重要优势在于其大脑相对较小，更容易作为一个完整的回路来研究。Google在2014年与Janelia建立了合作关系，专注于研究果蝇大脑数据和3D自动化重建。在2019年，他们联合剑桥大学重建了果蝇完整大脑，公开了40万亿像素的图像，同时还开发了一个3D 的交互界面“Neuroglancer”。此前，科学家只能使用人工方法绘制果蝇大脑。

在宣布能够自动重建果蝇大脑之后，他们表示将继续推进与FlyEM团队密切合作，利用“FIB-SEM”技术获得的图像，创建一个高度验证且详尽的果蝇大脑的连接组。制作这张连接图的第一步是将果蝇大脑的各个部分切成20微米厚的碎片，大约是人类头发宽度的1/3。然后用扫描电子显微镜的电子流轰击这些大脑切片，使其成像。由此产生的数据由大约50万亿个三维像素（即体素） 组成，通过追踪每个细胞路径的算法对其进行处理。尽管谷歌拥有强大的算法能力，它仍然需要大量的人力来检查软件的工作。该公司表示，Janelia的科学家花了两年时间和数十万小时来校对3D 连接图，使用VR头盔和定制的3D编辑软件来验证这2000万个化学突触的路径。即使这样，最终的连接图也只能是“半脑连接图”。果蝇的大脑总共有10万个神经元，而人类大脑大约有860亿个神经元。这离建立一个完整的神经通路连接体还很远。

在科学界，大家对连接学的评价好坏参半。有人认为连接学可以把大脑的物理部分和特定的行为连接起来，但也有人认为连接学发展至今没有产生任何重大突破，但是绘制神经元图谱的工作耗费了大量的资源。研究人员称，由于成像的高分辨率，即使只有一立方毫米的脑组织，也可以产生超过1000TB的数据。因此，这次重建整个果蝇的大脑，可想数据量有多庞大。用于处理数据的，是谷歌数千个Cloud TPU。

诺丁汉大学的神经学家Mark Humphries在接受外媒采访时讲到，重建毫无疑问是一个技术上的奇迹，但是，它本身不会回答紧迫的科学问题，不过它可能会引出一些有趣的谜团。