科学家们公布了由20万个细胞和5亿个连接组成的大脑线路图

Aug. 6, 2021, 10 a.m.

经过三家机构多年的研究,人类历史上最大的神经回路重建之一诞生了, including this cortical column, 这是哺乳动物大脑中一种神秘而普遍存在的结构. 这些神经元只是200个神经元中的一小部分,000个皮层细胞和5亿个突触可以在MICrONS Explorer网站上浏览.

来自bet36体育的神经科学家和计算机科学家, 艾伦研究所和贝勒医学院刚刚发布了一组数据,将3-D接线图与数万个神经元的功能结合起来,创造了迄今为止对哺乳动物大脑回路最详细的检查.

“bet36体育在线的五年任务是真正艰巨的, 有一个雄心勃勃的目标,许多人认为是无法实现的,” said H. Sebastian Seung, bet36体育在线的神经科学Evnin教授和计算机科学教授, 谁是MICrONS的首席科学家之一. “在第一年,一个实验室成员对我说,即使是第一阶段的试点也不可能. Fast-forward to today, and bet36体育在线正在释放一立方毫米重建的老鼠皮层, 比第一阶段的目标大1000倍.”

The dataset, which is now publicly available for anyone to browse and use, 绘制出200个区域的精细结构和连通性,000个脑细胞和近5亿个突触都包含在一个立方毫米大小的老鼠大脑中——大约一粒沙粒大小——从视觉新皮层, 哺乳动物大脑中处理眼睛看到的东西的部分.

Portrait of Prof. H. Sebastian Seung

H. Sebastian Seung, 他是bet36体育的神经科学Evnin教授和计算机科学教授

大脑皮层是人类大脑中最大的结构, 并几乎达到了神话般的地位,” said Seung. “它被圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔称为“谜中的谜”, 1906年诺贝尔奖得主,西班牙英雄 是绘制神经回路的先驱. We like to think that Cajal 会不会为bet36体育在线21世纪重建的一块 cortex. 我想bet36体育在线也很高兴,虽然bet36体育在线仍然很高兴 为实现这一目标的五年任务而疲惫不堪!”

This massive project, dubbed the 来自皮层网络的机器智能 (MICrONS) program, 历时5年完成,由情报高级研究项目活动资助. 这项研究资金的目标是挖掘大脑线路信息,以改善机器学习. 但数据集对神经科学领域也很有价值——无论是对试图理解大脑如何沿着确定的电路传递信息的科学家, 对于那些想要治疗大脑线路或连接被改变的疾病的生物医学研究人员来说.

“bet36体育在线基本上把大脑电路当作电脑来对待, bet36体育在线问了三个问题:它是做什么的? How is it wired up? What is the program?” said Clay Reid, 艾伦研究所的高级研究员和MICrONS的首席科学家之一. “bet36体育在线做了一些实验来观察神经元的活动,观察它们的计算. bet36体育在线今天展示的重建让bet36体育在线看到神经回路的元素:脑细胞和线路, 能够通过电线来绘制细胞之间的连接. 最后一步是解释这个网络, 到那时,bet36体育在线也许可以说bet36体育在线可以读懂大脑的程序.”

该数据集加入了最近发布的其他人类和果蝇大脑接线图的行列,这些接线图是用同样的技术捕获的:电子显微镜. 在这种情况下,这种方法揭示了整个微观景观的难以置信的细节, 腱状神经元密集分布的地形, astrocytes, 血管和其他组成大脑物质的细胞, as well as all the minus每个细胞内部的组成部分.

最新发布的MICrONS数据包含了迄今为止此类数据集中最多的单元格和连接, 而且它足够大,可以捕捉整个局部电路和接近完整的单个老鼠神经元的三维形状. 一些神经元之间的连接距离非常远, 将它们的轴突穿过大脑, 这些长途连接在这个数据集中并没有完全体现出来. 但选择立方毫米的体积是为了捕捉大脑中涉及视觉的多个区域的回路,同时也捕捉尽可能多的完整神经元的结构.

在结构数据收集之前, 贝勒大学的研究小组在老鼠观看自然场景的图像或电影时,捕捉到了大脑这部分神经元的活动. “大脑皮层包含数十亿神经元,通过数万亿个连接进行交流,这些连接赋予了哺乳动物惊人的能力. 解开这种令人困惑的复杂性的关键问题是发现连接规则和神经元功能特性之间的关系,” said Andreas Tolias, 他是贝勒医学院(Baylor College of Medicine)神经科学和人工智能中心(Center for neuroscience and Artificial Intelligence)的主任,也是MICrONS的首席科学家之一. “这个项目是独特的,因为它使bet36体育在线能够组建一个跨学科的团队来执行一个非常雄心勃勃的实验,这将使bet36体育在线能够回答这个问题.”

After the Baylor experiments, 艾伦研究所的研究人员保存并切割了超过27块大脑碎片,000 slices, each only 40 nanometers thick, 使用定制的电子显微镜共捕捉了1.5亿张这些切片的图像. 切割过程昼夜不停,持续了12天, during which teams of biologists, 工程师和软件开发人员轮流站岗, 如果切割出错,可以立即停止并重新启动仪器.

然后bet36体育在线队用了深leArning对图像进行“分割”,分别定义每个细胞及其内部组件. A team of software engineers, bet36体育的学生和博士后使用了卷积网络, painstakingly trained over months, 将连续切片图像排列成三维图像堆栈, 检测神经元边界和识别突触伙伴. 每一步都分布在一次运行数天的超级计算机上.

The result: beautiful, 复杂的数字效果图200,000个脑细胞以及它们之间的联系, 其中许多以前从未以完整的形式被捕捉过.

“我很荣幸能在bet36体育与如此出色的团队合作, 以及bet36体育在线在贝勒医学院和艾伦研究所的杰出合作伙伴,” said Seung. “bet36体育在线得到的回报是大脑皮层令人惊叹的新景象. 当bet36体育在线过渡到一个新的发现阶段, bet36体育在线正致力于建立一个研究人员社区,他们将以多种方式使用这些数据, most of which we cannot predict. 只有社区的共同努力才能实现资源的潜力,使有关大脑的新发现成为可能.”

除了Seung,bet36体育的团队还包括Kai Li,bet36体育的Paul M. Wythes ’55 P86 and Marcia R. Wythes P86 Professor in Computer Science; graduate students Alexander Bae, Sven Dorkenwald, Thomas Macrina, Shanka Subhra Mondal, Barak Nehoran, Sergiy Popovych, Nicholas Turner and Runzhe Yang; Eric Anthony Mitchell of the Class of 2018; current and former postdoctoral research associates Zhen Jia, Kisuk Lee and Jingpeng Wu; associate research scholars Ran Lu and Shang Mu; senior research specialist Szi-Chieh Yu; and Manuel Castro, Jay Gager, Akhilesh Halageri, James Hebditch, Chris Jordan, Nico Kemnitz, Selden Koolman, Kai Kuehner, Merlin Moore, Oluwaseun Ogedengbe, Ben Silverman, William Silversmith, Amy Sterling, Sarah Williams, Kyle Willie, Ryan Willie and William Wong.

公众数据收集由脑天文台存储服务在线托管 & Database, 亚马逊网络服务(Amazon Web Services)通过其开放数据赞助计划(Open data Sponsorship Program)让这些数据可以在云上免费访问. 谷歌通过谷歌Cloud提供存储和计算引擎支持, 以及通过谷歌Research开发的开源可视化工具Neuroglancer.

这篇文章的内容来自Rob Piercy, 艾伦研究所的高级传播主任, and Liz Fuller-Wright, bet36体育传播办公室.