大腦如無限深遠的星系，讓人敬畏

4 月 9 日《自然》雜志上的研究文章（匯集艾倫腦科學研究所(Allen)、貝勒醫學院(Baylor)、普林斯頓大學等 22 個機構 150 名科學家的十年研究結晶），描述了科學家們利用一粒沙子大小的小鼠腦物質，創建出第一張精確的哺乳動物大腦三維地圖。

這是人類首次呈現1立方毫米（約一顆沙粒大小）腦物質中的 84000 個神經元的形式、功能和傳遞。這些神經元是信息發射的機構，稱為軸突，遍布于超過 5 億個神經元突觸以及 20萬個腦細胞。在1立方毫米的組織里容納了5.4 公里長度的神經元布線。而這一立方亳米也只代表了老鼠大腦全部體積的 1/500。研究此1立方毫米組織所產生的數據高達 1.6 PB 的數據， 相當于1600個1TB硬盤容量，這個數據量也等于 22 年不間斷的高清視頻數據。

此研究項目稱為皮層網絡機器智能 （MICrONS， the Machine Intelligence from Cortical Networks） ，目前已向公眾開放。

研究人員的體會是：當觀察這些神經元，看到它們的細節和規模，會讓你產生一種敬畏感來欣賞大腦的結構和運行，就像人類抬頭仰望星空，無限深遠的星系一樣。

為了制作這張地圖，休斯頓貝勒醫學院的研究人員將小鼠放在跑步機上，放映不同的電影，給予視覺刺激，讓其保持清醒。這些電影來自《黑客帝國》、《瘋狂的麥克斯：狂暴之路》、越野摩托車、雪橇和定點跳傘等極限運動，并且以10秒鐘進行輪換播放。

使用專門的顯微鏡記錄小鼠1 立方毫米視覺皮層組織在這些場景下幾天內的大腦活動——小鼠使用這區域視頻皮層組織處理它所看到的東西。他們觀測到，在此視覺刺激環境下，小鼠大腦中一個縱列視覺皮層的所有 1800 個細胞都出現狀態變化，卷入了此大腦活動。

然后科研人員小鼠實施安樂死，研究人員將1個立方毫米大腦切成 28000 多層，每層是人類頭發寬度的 1/400，分割時將每一層圖像拍攝下來，最后合成出完整的圖像，來展示小鼠在外界刺激后，其視覺傳遞到大腦內部的信號活動。
新澤西州普林斯頓大學的一個團隊部署了機器學習和人工智能工具，追蹤所有切片的每個神經元的輪廓，在分割中為神經元著色以便單獨標示它們。人工智能生成的信息由參與的科學家進行驗證或校對。這項工作最終以一種統一的模式完成，科學家們稱其為小鼠大腦“連接體”。顯示了小鼠大腦的各功能部分是如何組織的，并提供了對不同類型細胞如何協同工作的理解。

長期以來，以這種方式繪制大腦圖譜一直被認為是一項不可能的挑戰，科學界認為永遠無法達到對大腦實現如此詳細的了解。但如今，學者們已經成功將一立方毫米腦組織的精確連系圖及其所有神經元的運動，準確地繪制出來。當然此次小鼠大腦“連接體”的成功建立 ，也得于之前在更小生物上的類似成功工作：線蟲秀麗隱桿線蟲的連接體于 2019 年完成，果蠅大腦神經元的圖譜則在2024年完成。
研究人員說，一立方毫米的小鼠大腦大約是整個果蠅大腦的 20 倍，而且要復雜得多。盡管如此，大家的目標是能夠接下來三四年內繪制出整個小鼠大腦連接體。
然而，以類似的突觸分辨率繪制人腦連接體將是一項極其困難的工作，因為人腦比老鼠大腦大 1500 倍左右，技術和道德方面都存在極大障礙。

實驗室小鼠已經被廣泛用于理解人類疾病，更好地理解小鼠大腦的構成和功能，為研究涉及神經交流中斷的人類腦部疾病（如阿爾茨海默氏癥、帕金森氏癥、自閉癥和精神分裂癥）提供新的可能性。這就像收音機壞了，但幸運的是你有電路圖，你就有方向去研究修復它。