有史以来最大的大脑地图揭示了哺乳动物大脑的隐藏算法

快速阅读: 据《奇点枢纽》称，科学家绘制了小鼠大脑视觉皮层的地图，包含20万多个脑细胞和5.4公里神经纤维。此研究不仅解码了功能连接，还揭示了大脑的通用模式。尽管数据库有局限性，但它为神经科学研究提供了重要资源，有助于探索认知和记忆的基本规则。

神秘的大脑

大脑是自然界最宝贵的计算引擎。尽管近期的人工智能进展使算法能够更快地学习或适应，但我们头颅中那柔软的三磅重物质却不知为何能用极少的能量感知、学习和记住经历，然后存储重要的信息以指导未来的决策。

大脑内部的布线是其计算能力的核心。神经元与其他脑细胞通过多个突触动态连接在一起。新的学习通过调整突触强度来改变布线，从而形成记忆并产生思想。

科学家们已经发现了分子和基因，它们连接并改变大脑大块区域的这些网络（尽管分辨率较低）。但深入研究大脑的神经连接可能会带来新的见解。

绘制整个小鼠大脑仍是一项技术上的挑战。在这里，MICrONS团队专注于视觉皮层中一个罂粟籽大小的部分。通常被称为“高级认知的所在地”，皮层是最新进化的脑结构。它支持我们最珍视的能力：逻辑思维、决策和感知。

尽管皮层的功能似乎各不相同，但先前的理论研究表明，该区域嵌入了一个通用的布线“蓝图”。

重建大脑

该项目分析了一小块小鼠视觉皮层，将其切成超过28,000片，每片比人类头发还要薄一千倍。

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这些切片使用电子束成像以捕获纳米级结构。基于AI的软件随后将单个切片拼接成原始脑区的三维复刻，每个脑细胞、布线和突触都以不同的颜色突出显示。

该地图包含超过20万个脑细胞、五亿个突触以及超过5.4公里的神经纤维——大约是纽约中央公园长度的一倍半。

虽然这只是小鼠大脑的一个小部分，但该地图推动了大规模绘制脑连接的技术极限。之前的里程碑式地图来自线虫和果蝇，包含的新释放中总神经元和突触数量仅为一小部分。唯一在体积上可比较的研究是映射人类皮层，但识别出的脑细胞和突触数量要少得多。

镜中的世界

该数据集的独特之处在于在成像之前记录了小鼠大脑的具体活动。

研究小组在一个跑步机上展示了一只小鼠多个视频，包括电影《黑客帝国》的片段。小鼠的大脑经过基因改造，任何激活的神经元都会发出荧光，标记那些细胞。在多次实验中，视觉皮层中有近76,000个神经元被点亮。然后，这些信息被精确地映射到连接组上，突出显示单独激活的神经元并绘制其网络。

该数据集的独特之处在于在成像之前记录了小鼠大脑的具体活动。

“这项研究真正开辟了新的领域，”Petkova和Schuhknecht写道。它不仅列出脑组件列表，仅映射解剖结构，还以前所未有的规模解码了功能连接。

其他项目已经利用了该数据集。

一些研究展示了如何通过重建识别不同类型神经元。将结构布线映射到活动同样揭示了一个反复出现的电路——一种大脑活动的通用模式——在整个皮层中普遍存在。以AI术语来说，这些连接形成了大脑的一种“基础模型”，具有泛化能力，能够预测其他小鼠的神经活动。

数据库并非完美无缺。大多数布线是通过AI重建的，这个过程严重依赖人工编辑来发现错误。重建更大样本需要进一步的技术改进来加快进程。

然后还有大脑的基本奥秘，新的脑图无法解决。尽管它可以提供神经元及其布线的计数方法，但更高层次的计算——例如理解你所看到的内容——可能会引发另一组神经活动，而这些活动并未在研究中捕捉到。而且皮层电路范围广泛，这意味着样本中的神经连接是不完整的。

该联盟正在发布数据库，同时推出一组新的基于AI的计算工具，用于将布线图链接到神经活动。与此同时，他们计划使用该技术来绘制更大范围的大脑区域。

发布“标志着向前迈进了一大步，并为神经科学领域的未来发现提供了宝贵的社区资源”，如认知和记忆的基本规则，Petkova和Schuhknecht写道。

(以上内容均由Ai生成)