迄今最大脑皮层神经网络研究成果发布

来源：科技日报   发布者：亦云   日期：2016-03-30  

由美国艾伦脑科学研究所和哈佛医学院、弗兰德斯神经电子学研究所科学家共同组成的国际研究团队，在本周出版的《自然》杂志上发表了迄今最大的脑皮层神经元连接网络研究报告。 据美国艾伦脑科学研究所消息，由该所和哈佛医学院（HMS）、弗兰德斯神经电子学研究所科学家（NERF）共同组成的国际研究团队，在本周出版的《自然》杂志上发表了迄今最大的脑皮层神经元连接网络研究报告，揭示了脑网络组织中的一些关键因素。 脑皮层是对外界信息进行高级处理的地方，最简单的神经网络也包含了数百万个连接，研究这些巨大的网络是理解大脑如何工作的关键。研究工作从识别小鼠视觉皮层的神经元开始，然后制作超薄脑切片，对目标细胞和突触拍摄大量图像，重建了三维图，跟踪各个神经元定位它们之间的连接。 分析这些数据产生了许多成果，包括首个支持以往观点的直接结构证据：那些执行相似任务的神经元之间，比执行不同任务的更容易形成连接，而且执行相似任务的神经元连接更多。 NERF首席研究员温森特·博宁说：“我们首次发现了一些解剖证据，在皮层网络中存在模块化结构，神经元之间存在支持特定功能连接的结构基础。我们的方法能确定神经回路的组织原则。现在我们打算找到皮层连接的基本图案，作为大脑网络功能的结构单元。” 这一脑网络计划开始于近10年前。艾伦脑科学研究所高级研究员克雷·雷德说，这些成果是该计划的一个高潮。他们用了高通量技术，收集了多个关于脑活动和脑连线的大数据库。研究在规模和细节上都达到前所未有的程度。同时他们也学到了大量脑网络方面的知识，可帮助掌握脑结构与功能间的关系。 研究数据即将放到网上，与其他研究人员共享。论文第一作者、HMS神经生物学博士李韦忠（音译）说：“虽然这是整个研究中的一个里程碑，但它只是开始。通过发现脑回路、神经元和网络计算之间的关系，现在我们有了可以对大脑逆向工程的工具。” 这些纠缠在一起的金属丝般纤维，并不是鸟巢或者根系。相反，它是迄今关于大脑细胞之间相互连接的最大地图——在这种情况下，是来自小鼠视觉皮质的约200个细胞。 为绘制细胞之间的约1300个连接点，或者说是突触，研究人员利用电子显微镜拍摄了大小和一只尘螨相近的一块组织的上百万幅纳米尺度照片。随后，团队成员追踪了突触的纺锤形投射，并且通过数字化方法将堆叠的切片“缝合”起来形成3D地图。完成的地图揭示了一些关于小鼠大脑如何被连接起来的有趣线索：同执行不同功能的神经元相比，对诸如垂直或水平线条等类似视觉刺激物作出反应的神经元更有可能被相互连接在一起。3月28日，科学家在《自然》杂志网络版上报告了这一发现。 最终，通过加快对小鼠和人类大脑组织中此类网络的绘制并使其自动化，研究人员希望了解大脑结构如何使人类理解、记忆、思考和感觉。（徐徐）《中国科学报》 即便是大脑中最简单的神经元网络也是由数百万的连接所构成，探究这些庞大的网络对了解大脑的运作机制至关重要。 由艾伦脑科学研究所、哈佛医学院和Flanders神经电子学研究中心(NERF)的R. Clay Reid、Wei Chung Allen Lee和Vincent Bonin领导的一个国际小组，发布了迄今为止最大的大脑皮层神经元连接网络，揭示出了有关大脑中网络组织机制的几个关键要素。他们的研究结果发布在3月28日的《自然》（Nature）杂志上。 艾伦脑科学研究所资深研究员R. Clay Reid博士说：“这是近十年前启动的一个研究项目的一次高潮。大脑网络太大、太复杂无法零碎地了解，因此我们利用了一些高通量技术来收集大脑活动和大脑布线的庞大数据集。我们发现这一努力是绝对值得的，我们正在了解有关大脑网络结构及最终大脑结构如何与功能关联的丰富信息。” 论文的主要作者、哈佛医学院神经生物学讲师Wei-Chung Lee博士说：“尽管这项研究是研究工作实质性章节中一个具有里程碑意义的时刻，这仅仅是个开始。通过发现回路布线和神经元网络计算之间的关系，我们现在拥有了一些工具来着手对大脑实施逆向工程。” Flanders神经电子学研究中心项目负责人Vincent Bonin说：“数十年来，研究人员一直在孤立地研究大脑活动和布线。我们所取得的成果就是以前所未有的细节为这两个领域架起桥梁，将神经电活动与它们彼此之间的纳米级突触连接联系起来。” Lee补充说：“我们已在大脑皮层网络中发现了模块结构的首批解剖学证据，以及神经元间功能特异性连接的结构基础。我们采用的方法使得我们能够定义神经回路的组织原理。我们现正在做好了准备去发现大脑皮质连接模体（motif），它们有可能是大脑皮层网络功能的基本构件。” Lee和Bonin首先在小鼠视觉皮层中鉴别了响应特殊视觉刺激，例如屏幕上的竖条或横条的神经元。Lee随后制作了超薄脑切片，捕获了这些目标细胞和突触数百万张详细的图像，随后进行了三维重建。美国两海岸的注释者团队同时通过一些3D图像追踪了单个神经元，并定位了单个神经元之间的连接。 分析这些丰富的数据生成了一些结果，包括第一个直接的结构证据支持这一观点：完成相似任务的神经元比执行不同任务的神经元更有可能彼此连接。并且，尽管与执行完全不同功能的许多其他神经元缠结在一起，这些连接更大。 Reid 说：“这项研究独特的组成部分是结合了功能成像和详细的显微镜学。这些微观数据达到了前所未有的规模和细节。我们通过首先了解了特定神经元的功能获得了一些非常强大的知识，随后观察了它是如何连接完成相似或不同工作的神经元的。” Reid说：“这就像一个乐手随机就坐的交响乐团。如果你只听附近的一些音乐家，这没有意义。通过听每一个人，你将会理解音乐；它实际变得更加简单了。如果随后你去问询每个音乐家都听谁的，或许你甚至可以搞清楚他们是如何创作音乐的。这里没有指挥，因此管弦乐团需要进行沟通。” 大脑神经元组成了复杂而庞大的网络，这一网络控制着我们的行为和情绪。大脑内到底有多少种神经元，数十年来这个问题一直困扰着科学家们。哥伦比亚大学的研究人员在2016年3月的Cell杂志上发表两篇文章，向人们展示了一种能够全面鉴定神经元类型的新方法。这种方法将成为强大的神经学研究工具，帮助人们定量分析大脑所有区域的神经元多样性。 来自贝勒医学院，德国蒂宾根大学等处的研究人员以前所未有的分辨率，绘制了一副成体小鼠大脑皮层神经图谱，并从中找到了15种不同类型的神经元，其中有一些是首次被发现。这一研究成果公布在2015年11月的Science杂志上。 不同的大脑区域必须相互沟通才能控制复杂的思想和行为，但目前对于这些区域组织成为广阔神经元网络的机制却相对知之甚少。在发表在2014年2月Cell杂志上的一项研究中，研究人员绘制出了一张小鼠全脑图谱，揭示了大脑皮质中数百条神经元通路。这一在线开放获取的交互式图像数据库：小鼠连接组项目（Human Connectome Project），为有兴趣研究整个大脑皮质网络构造和功能的研究人员提供了一个宝贵的资源。

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