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研究人员通过绘制小鼠脑组织中一立方毫米内的细胞图谱，绘制出了迄今为止最大、最详细的哺乳动物脑连接图。这项里程碑式的成就还首次在神经科学领域展现了单个神经元的大规模活动。
这张高分辨率 3D 地图包含超过 20 万个脑细胞，其中包含约 8.2 万个神经元。它还包括超过 5 亿个被称为突触的神经元连接点和超过 4 公里长的神经元线路，所有这些都位于大脑视觉区域的一小块组织中。
唯一可比规模的脑图是人类一立方毫米脑图，其中包含 16000 个神经元和 1.5 亿个突触。这张新图还捕捉到了数万个神经元的活动，它们发出信号并相互作用，以处理视觉信息。
这张大脑活动图谱与神经连接图相结合，标志着连接组学领域的一个里程碑。该领域旨在揭示大脑如何处理和组织信息。
这项艰巨的科研工作背后，是「Machine Intelligence from Cortical Networks」（MICrONS）项目的 150 多位研究人员的共同努力。他们近期在《Nature》和《Nature Methods》杂志上发表了八篇论文，详细阐述了他们的研究成果。
MICrONS 项目已将其资源在线提供给神经科学界，其他科研团队已在不同的研究中探索这些资源。
「他们成功做到了我们神经科学界历史上几乎从未做到过的事情，那就是能够将神经元的活动映射到大量神经元的神经连接上。」未参与该项目的哈佛大学神经科学家 Mariela Petkova 评价道，「我们从未见过如此规模的成果。」
这些数据「真的美得令人惊叹。」华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所的神经科学家、这项研究的共同作者 Forrest Collman 说道，「看着这些数据，你真的会对大脑的复杂性感到敬畏，就像仰望夜空中的繁星一样。」
矩阵中的小鼠
为了绘制这张突破性的脑图，研究人员首先记录了小鼠在连续两小时观看各种视频（包括《黑客帝国》的片段）时，视觉皮层中近 7.6 万个神经元的放电情况。然后，他们将小鼠脑组织一立方毫米切成数千个组织切片，每个切片的宽度约为人类头发的四百分之一。
科学家们对每张切片进行成像，并将图像组合成一张 3D 地图。最后，他们利用人工智能和机器学习算法对神经元、它们的分支投射和突触进行注释。研究团队还将地图中的神经元与脑细胞活动记录进行匹配。
「如此规模的功能与结构的结合」是前所未有的，德国法兰克福马克斯·普朗克脑研究所的神经科学家 Moritz Helmstaedter 表示，这是「一项非常令人印象深刻的尝试和成功」。
Fire together, wire together
这项研究揭示了小鼠大脑神经回路的基本规则。例如，作者发现，皮层中对类似视觉特征（例如某些形状或运动方向）做出反应的神经元，无论彼此相距多远，彼此之间通常会形成更多连接，而专攻不同类型特征的神经元之间则不会。
Collman 表示，这项研究结果为神经科学领域一个长期存在的理论——「同时放电的神经元会连接在一起」——增添了新的挑战。此前的研究仅在有限数量的神经元和突触中验证了这一理论。他补充道，当前的研究表明，「这条规则在皮层不同组成部分中的适用程度存在差异」。
MICrONS 的研究人员希望他们的数据集能够帮助揭示大脑中的各种特征和过程。「我们对各种皮层区域的理解程度和方式各不相同。我认为这仅仅是将结构与功能联系起来的开始。」艾伦研究所的神经生物学家、MICrONS 论文的合著者 Clay Reid 说。
Helmstaedter 表示，研究人员可以利用这些神经连接图来研究大脑如何存储和回忆视觉记忆，例如「我们对上次生日聚会或祖父母的回忆」。他补充道，这些是「关于哺乳动物大脑皮层的一些尚未解答的重大问题，而且仍然非常基础」。
艾伦研究所的神经解剖学家、MICrONS 论文的另一位作者 Nuno Maçarico da Costa 表示，新发布的图谱覆盖了小鼠大脑的约 0.2%，但 MICrONS 团队将测试绘制动物整个大脑的技术。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08840-3
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08790-w
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858
相关内容：https://www.nature.com/articles/d41586-025-01088-x
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