十年磨一「图」，谷歌震撼发布纳米级人脑图谱！AI加持人类大脑研究

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文章摘要

谷歌研究的连接组学团队在成立十年之际，发布了一张1.4PB的人脑连接组图，这张图以纳米级分辨率展示了人类大脑皮层的结构。图中包含了57,000个细胞和1.5亿个突触，覆盖了大约一立方毫米的体积，是整个大脑的百万分之一。这项研究的成果已经发表在Science杂志上，并得到了Nature的报道。

研究团队利用高通量的方法研究大脑中的神经网络架构，以增进我们对大脑结构和功能的理解。通过对捐赠的大脑样本进行高分辨率成像，科学家们发现了此前未知的特征细胞和全新的连接模式。这些发现对于理解记忆形成、神经系统疾病、自闭症、阿尔茨海默病的成因具有重要意义。

哈佛研究人员从捐赠的大脑样本中收集了数千张极薄的横断面图像，谷歌则利用先进的AI工具对这些图像进行了3D建模。这个3D模型凸显了人脑的高度复杂性，仅这一小片样本（长约3毫米，占人脑容量百万分之一）就需要超100万GB的数据，即1.4PB。这是有史以来分辨率最高、数据量最大的关于人脑结构的数据集。

研究人员还发现了一个奇特的现象，细胞群往往是以“镜像对称”的方式出现。此外，他们还观察到了一个“轴突螺旋”的奇特结构，但其功能尚不明确。研究中还展示了单个神经元接收信号的复杂网络，以及大脑中神经元的紧密连接。

这项研究的连接组学成像方法使用纳米级分辨率，重建了大脑皮层中千万亿体素级别的片段，包括1600个神经元、32000个神经胶质细胞、8000个血管细胞、1.5亿个突触。要进行重建工作，首先需要采集真实样本的图像数据，然后使用多波束扫描电子显微镜收集高分辨率图像。在此基础上，团队将图像数据进行对齐、缝合，重建了每个细胞的三维结构，包括轴突和树突，识别细胞间的突触连接并对细胞进行分类。

这项研究不仅为我们提供了一个深入了解大脑结构和功能的机会，也为未来的神经科学研究奠定了基础。通过揭示大脑的连接模式，我们有望更好地理解记忆、情感、认知等复杂功能，以及神经系统疾病的发病机制。