普林斯顿大学的神经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个数据集合,嫁给一个3 d接线图与成千上万的神经元的功能来创建哺乳动物大脑回路的最详细的检查日期。
“我们的五年任务真的很艰巨，有一个很多人认为无法实现的雄心勃勃的目标，”普林斯顿神经科学Evnin教授、计算机科学教授h·塞巴斯蒂安·桑(H. Sebastian Seung)说，他是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。快进到今天，我们正在释放一立方毫米的重建老鼠皮层，这比第一阶段的目标要大1000倍。”
现在任何人都可以浏览和使用这个数据集，它描绘了包含在老鼠大脑一块立方毫米(大约一粒沙粒大小)中的200,000个脑细胞和近5亿个突触的精细结构和连通性来自视觉新皮层，哺乳动物大脑中处理眼睛所见的部分。
H. Sebastian Seung，普林斯顿大学神经科学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，几乎达到了神话的地位，”Seung说。1906年诺贝尔奖得主、西班牙英雄圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔(Santiago Ramon y Cajal)把它称为“谜中的谜”，他是神经回路绘制的先驱。我们认为卡哈尔会为我们21世纪的皮质重建而感到高兴。我想我们也很高兴，虽然我们仍然太疲惫了五年的任务来实现!”
这个被称为“来自皮层网络的机器智能”(MICrONS)项目的大型项目耗时5年完成，由智能高级研究项目活动(Intelligence Advanced Research Projects Activity)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。但该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定义的电路传递信息的科学家，还是对想要治疗大脑线路或连接发生改变的疾病的生物医学研究人员。
“我们基本上把大脑电路当作电脑来处理，我们问了三个问题:它是做什么的?它是怎么连接起来的?是什么节目?艾伦研究所(Allen Institute)高级研究员、MICrONS首席科学家之一克莱·里德(Clay Reid)说。“我们做了一些实验来观察神经元的活动，观察它们的计算。我们今天要展示的重建让我们看到神经回路的元素:脑细胞和神经线路，能够沿着这些线路绘制出细胞之间的连接。最后一步是解读这个网络，到那时，我们可能就可以说，我们可以解读大脑的程序了。”
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。这种方法揭示了整个微观景观的令人难以置信的细节——在这种情况下，密集排列的腱神经细胞、星形胶质细胞、血管和其他细胞构成了大脑的物理物质，以及每个细胞的所有微小内部成分。
最新发布的MICrONS数据包含了迄今为止此类数据集中最多的细胞和连接，它足够大，可以捕捉整个局部电路和单个小鼠神经元的近乎完整的三维形状。一些神经元在难以置信的长距离连接，将它们的轴突传送到整个大脑，而这些长距离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。
在收集结构数据之前，贝勒大学的研究小组捕捉到了老鼠在观看自然场景的图像或电影时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布线规则和神经元功能属性之间的关系，”Andreas Tolias说，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，因为它使我们能够组建一个跨学科的团队来进行一个非常雄心勃勃的实验，这将使我们能够回答这个问题。”
在贝勒实验之后，艾伦研究所的研究人员保存并切片了27000多片大脑切片，每片只有40纳米厚，使用定制的电子显微镜共捕捉了1.5亿张图像。切割过程昼夜不停地进行了12天，在此期间，生物学家、工程师和软件开发人员轮班站着，准备在切割出错时立即停止并重新启动仪器。
然后，普林斯顿大学的研究小组使用深度学习来“分割”图像，分别定义每个细胞及其内部组件。普林斯顿大学的一个由软件工程师、学生和博士后组成的团队，经过几个月的艰苦训练，使用了卷积网，将连续的切片图像排列成一个三维图像堆栈，检测神经元边界并识别突触伙伴。每一步都分布在一次运行数天的超级计算机上。
结果是:20万个脑细胞和它们之间的连接的美丽而复杂的数字渲染图，其中许多以前从未以完整的形式被捕捉到。
“我很荣幸能在普林斯顿大学与如此出色的团队合作，以及我们在贝勒医学院和艾伦研究所的杰出合作伙伴，”Seung说。“我们得到的回报是大脑皮层令人惊叹的新景象。当我们过渡到一个新的发现阶段时，我们正把精力投入到建立一个研究人员社区，他们将以多种方式使用这些数据，其中大部分我们无法预测。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，普林斯顿大学的团队还包括Kai Li，普林斯顿大学的Paul M. Wythes ‘ 55 P86和Marcia R. Wythes P86计算机科学教授;研究生Alexander Bae、Sven Dorkenwald、Thomas Macrina、Shanka Subhra Mondal、Barak Nehoran、Sergiy Popovych、Nicholas Turner和Runzhe Yang;2018届毕业生埃里克·安东尼·米切尔;现任和前任博士后研究员贾真、李基苏克、吴景鹏;副研究员陆然、商牧;高级研究专家余思杰;以及曼纽尔·卡斯特罗、杰伊·加格尔、阿克希莱什·哈拉格里、詹姆斯·赫布迪奇、克里斯·乔丹、尼克·凯姆尼茨、塞尔登·库尔曼、凯·库纳、梅林·摩尔、奥卢瓦尚·奥格登贝、本·西尔弗曼、威廉·西尔弗史密斯、艾米·斯特林、莎拉·威廉姆斯、凯尔·威利、瑞安·威利和威廉·王。
公共数据收集由脑天文台存储服务在线托管。通过开放数据赞助计划(Open data Sponsorship Program)，亚马逊网络服务(Amazon Web Services)正在云端免费提供这些数据。谷歌通过谷歌Cloud提供存储和计算引擎支持，并通过谷歌Research提供开源可视化工具Neuroglancer。
这篇文章的材料来自艾伦研究所的高级传播主任Rob pierce和普林斯顿大学传播办公室的Liz Fuller-Wright。