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深入观察人类大脑的一个斑点揭示了前所未见的怪癖

全球科技 焦点资讯 2021-09-03 阅读 1580

人类大脑的新视角向其细胞居民展示了他们狂野而怪异的荣耀。这张地图取自女性大脑的一小块,描绘了 50,000 个细胞的不同形状以及它们之间的 1.3 亿个连接。

这张名为 H01 的复杂地图代表“人类样本 1”,代表了科学家寻求提供更详细的大脑描述的里程碑( SN: 2/7/14 )。

“这绝对是美丽的,”西雅图艾伦脑科学研究所的神经科学家 Clay Reid 说。“以最好的方式,这是非常令人兴奋的事情的开始。”

哈佛大学、谷歌和其他地方的科学家准备并分析了脑组织样本。一颗比芝麻还小的脑子,大约是整个大脑体积的百万分之一。它来自一名 45 岁女性接受癫痫手术的皮层——负责复杂思维的大脑外层。取出后,大脑样本被迅速保存并用重金属染色,显示出细胞结构。然后将样品切成 5,000 多个晶片薄片,并用强大的电子显微镜成像。

计算程序将生成的图像重新拼接在一起,人工智能程序帮助科学家分析它们。

目前,研究人员才刚刚开始了解那里有什么。研究合著者、哈佛大学发育神经生物学家杰夫·利希特曼 (Jeff Lichtman) 说:“我们真的只是涉足了这个数据集。” Lichtman 将大脑地图与 Google 地球进行了比较:“那里有很多宝石需要寻找,但没有人能说他们已经看过整件事。”

但利希特曼说,已经出现了一些“非常有趣”的景象。“当你拥有大型数据集时,突然间这些奇怪的东西、这些奇怪的东西、这些稀有的东西开始脱颖而出。”

其中一种好奇心与突触有关,突触是信号在神经细胞之间移动的连接点。通常,大多数发送消息的轴突只接触一次接收消息的树突。在新数据集中,大约 90% 的连接是这些一次性联系人。一些电池对的触点稍微多一些。但每隔一段时间,研究人员就会发现多次连接的细胞,包括一对由多达 19 个突触连接的细胞。

在小鼠大脑中发现了多种连接,尽管不像在这个人类样本中那样丰富。位于弗吉尼亚州阿什本的霍华德休斯医学研究所 Janelia 研究园区的神经科学家 Pat Rivlin 说,苍蝇的大脑在细胞之间也可以有许多连接,尽管它们比新描述的人类连接更加分散。 在那里,Rivlin 致力于 FlyEM 项目,它旨在创建果蝇神经系统的详细地图。

Reid 说,人类大脑上的大型数据集提供了这些类型连接的普遍性的细分。这就提出了一个问题,即这些异常强大的突触可能在大脑中做什么。

Lichtman 推测,这些细胞可能能够以一种强有力的方式迫使它们的目标细胞发挥作用。也许死记硬背的信息,例如知道 5 乘以 5 等于 25 或知道在红灯前停下来,依赖于这些有效地驱动信息通过大脑的强大输入。

爱丁堡大学的分子神经科学家 Seth Grant 指出,虽然该地图是一个有价值的工具,但它只显示了大脑的解剖结构。其他研究将有助于阐明驱动大脑行为的分子的功能和组成。他说,就目前而言,该地图“在很大程度上是一种探索工具”。

进一步探索的一个好奇心是该团队观察到两个神经细胞或神经元,它们似乎以对称的舞蹈缠绕在一起。这些图像还揭示了神经元的信息发送轴突,形成了复杂的线圈,看起来像盘绕的蛇的不寻常和神秘的螺旋。“我们从未见过类似的东西,”Lichtman 说。一旦研究人员知道如何寻找这些线圈,就会发现越来越多的线圈。

这些极其详细的大脑地图是多年研究的结晶,Reid 说,他正在艾伦研究所( SN: 8/7/19 )研究老鼠和人类大脑的地图。“这是历史上这个神奇的时刻”,当时计算方法、机器学习和强大的显微镜等地图制作工具都可用,里德说。“这项工作才刚刚开始看到曙光。”

这些地图最终会揭示什么仍然是任何人的猜测。Lichtman 对这些地图是否会导致对大脑的深入了解持谨慎态度。“我认为我们能做的最好的就是描述,”他说。“我希望在某个时候,我们会到达一个不再对所见所闻感到惊讶的地方。”

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