哈佛大學(xué)和谷歌研究人員剛剛完成了一項重大成就。盡管聽(tīng)起來(lái)微不足道，但一立方毫米的腦組織包含了57,000個(gè)細胞、230毫米的血管以及1.5億個(gè)突觸，其數據總量高達1,400太字節。

這一壯觀(guān)的成果是由哈佛大學(xué)的分子與細胞生物學(xué)教授、新任科學(xué)院院長(cháng)杰夫·利希特曼帶領(lǐng)的團隊與谷歌研究人員共同完成的。他們成功構建了迄今為止最大的、具有突觸分辨率的人腦三維結構重建，詳細展示了一個(gè)大約半粒米大小的人類(lèi)顳葉皮層片段中每一個(gè)細胞及其錯綜復雜的神經(jīng)連接網(wǎng)絡(luò )。

這項成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志，是利希特曼團隊與谷歌研究科學(xué)家們近十年合作的最新成果。在此過(guò)程中，他們結合了利希特曼的電子顯微技術(shù)和人工智能算法，對哺乳動(dòng)物大腦的復雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了著(zhù)色和重建。該論文的三位共同第一作者分別是哈佛大學(xué)前博士后研究員亞歷山大·沙普森-科，谷歌研究的米哈烏·亞努舍夫斯基，以及哈佛大學(xué)博士后研究員丹尼爾·伯格。

項目的最終目標，得到美國國立衛生研究院大腦計劃的支持，是繪制一張全鼠腦神經(jīng)連接的高分辨率圖譜，其數據量將是他們剛從1立方毫米人類(lèi)皮層片段中產(chǎn)生的數據量的約1000倍。

利希特曼表示：“‘片段’這個(gè)詞的使用頗具諷刺意味。對多數人來(lái)說(shuō)，一個(gè)太字節已經(jīng)非常大，然而人腦的一個(gè)微小片段——只是一點(diǎn)微不足道的腦組織——竟包含數千太字節數據。”

圖片信息：以納米級分辨率重建的人類(lèi)大腦皮層petavoxel片段

最新的腦圖揭示了前所未見(jiàn)的腦結構細節，包括一組罕見(jiàn)但功能強大的軸突，它們通過(guò)多達50個(gè)突觸相連。研究團隊還觀(guān)察到組織中的一些異?，F象，例如少數軸突形成了廣泛的渦旋。由于樣本取自一名癲癇患者，他們尚不確定這些不尋常的結構是病理性的還是僅僅罕見(jiàn)。

利希特曼的研究領(lǐng)域是“連接組學(xué)”，這一領(lǐng)域類(lèi)似于基因組學(xué)，旨在創(chuàng )建詳盡的腦結構目錄，直至單個(gè)細胞和連線(xiàn)。這樣的完整圖譜將指引科學(xué)家探索新的腦功能和疾病機理，對此科學(xué)界尚知甚少。

圖片信息：六層興奮性神經(jīng)元按深度進(jìn)行顏色編碼。

谷歌的先進(jìn)人工智能算法使得三維重建和繪制腦組織圖成為可能。該團隊還開(kāi)發(fā)了一套公開(kāi)可用的工具，供研究人員檢查和標注連接組。

谷歌研究的合作人維倫·賈恩指出：“考慮到投入到這個(gè)項目中的巨額投資，將結果以一種使其他人也能受益的方式展示出來(lái)，是非常重要的。”

團隊的下一步將是研究小鼠的海馬體結構，這一結構在記憶形成和神經(jīng)疾病中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色。

雜志：Science

DOI：10.1126/science.adk4858