芝麻粒大小的人腦組織，突觸規(guī)模就相當(dāng)于一個(gè)GPT-4！

谷歌與哈佛聯(lián)手，對(duì)局部人腦進(jìn)行了納米級(jí)建模，論文已登Science。

這是迄今為止最大、最詳細(xì)的人腦復(fù)制品，首次展示出了大腦中的突觸連接網(wǎng)絡(luò)。

憑借超高分辨率，這個(gè)名為H01的重建，已經(jīng)揭示了一些以前未曾見過(guò)的關(guān)于人類大腦的細(xì)節(jié)。

項(xiàng)目通訊作者、哈佛大學(xué)Lichtman教授介紹說(shuō)，在此之前，沒(méi)有人真正看到過(guò)這樣復(fù)雜的突觸網(wǎng)絡(luò)。

這一建模成果，將有助于更深入地了解大腦的運(yùn)作方式，啟發(fā)人類對(duì)大腦功能和疾病的進(jìn)一步研究。

另外值得一提的是，該研究涉及了1立方毫米的人腦組織，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量卻高達(dá)1.4PB。

據(jù)此，有人根據(jù)人腦的體積推算，若要對(duì)整個(gè)人腦進(jìn)行建模，會(huì)產(chǎn)生1.76ZB的數(shù)據(jù)，而目前最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量也才萬(wàn)分之七ZB，不足單個(gè)人腦單個(gè)狀態(tài)的0.4%。

即使把所有整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器都拿過(guò)來(lái)，也不過(guò)只能存儲(chǔ)下9個(gè)人腦。

同時(shí)，1立方毫米體積的腦組織中包含了5.7萬(wàn)細(xì)胞和1.5億突觸，而整個(gè)大腦中的突觸數(shù)量更是高達(dá)千萬(wàn)億。

相比之下，GPT-4的參數(shù)量只有2萬(wàn)億，不過(guò)是人腦突觸數(shù)量的百分之0.2，按照這樣計(jì)算放到大腦里也就是芝麻粒的大小。

有人就此發(fā)出感嘆，AGI恐怕又是要遙遙無(wú)期了……

納米級(jí)建模帶來(lái)新發(fā)現(xiàn)

具體來(lái)看，研究者獲得了一個(gè)來(lái)自45歲女性癲癇患者的顳葉皮層組織樣本，大小約為1立方毫米。

樣本經(jīng)過(guò)快速固定、染色和樹脂包埋后，研究者使用帶自動(dòng)收集裝置的超薄切片機(jī)切成了5019個(gè)厚度約33.9納米的連續(xù)切片。

然后研究者利用多束掃描電子顯微鏡對(duì)每個(gè)切片以4×4納米/像素的分辨率成像,獲得了總大小約1.4PB的原始二維圖像數(shù)據(jù)。

接下來(lái)，研究者使用計(jì)算工具對(duì)這些二維圖像進(jìn)行了拼接、對(duì)齊，并重建出三維的體素?cái)?shù)據(jù)。

之后，他們采用一種稱為flood-filling networks（FFN）的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)整個(gè)體素進(jìn)行神經(jīng)元形態(tài)分割，并通過(guò)人工校正分割錯(cuò)誤，最終重建出了這1立方毫米腦組織內(nèi)所有細(xì)胞、突觸和血管等結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。

FFN由Google Brains在2018年提出，基本思想是從一個(gè)種子點(diǎn)出發(fā)，遞歸地向周圍擴(kuò)展，標(biāo)記所有與之連通的體素，直到遇到背景或其他物體的邊界為止。

同時(shí)，他們還使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型對(duì)突觸位置進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，以及區(qū)分興奮性、抑制性突觸。

最終，團(tuán)隊(duì)成功在納米級(jí)別建模出了1立方毫米的腦組織，包含5萬(wàn)多個(gè)細(xì)胞核1.5億突觸，以及其間230毫米的超細(xì)靜脈。

在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)分析重建的細(xì)胞形態(tài)，研究者鑒定出了該腦區(qū)的主要細(xì)胞類型組成。

在共57180個(gè)細(xì)胞中，49080個(gè)為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞，8100個(gè)與血管相關(guān)，而在神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中，后者數(shù)量是前者的2倍左右。

在神經(jīng)元中，65.5%為有刺突的錐體狀神經(jīng)元，29.1%為光滑突起的中間神經(jīng)元；而在膠質(zhì)細(xì)胞中，少突膠質(zhì)細(xì)胞最為常見。

研究者開發(fā)了機(jī)器學(xué)習(xí)模型用于自動(dòng)識(shí)別突觸位置及其類型（興奮性/抑制性）。

該腦區(qū)共包含約1.5億個(gè)突觸，其中1.11億個(gè)為興奮性突觸，另外3900萬(wàn)個(gè)為抑制性突觸，不同皮層層面的興奮性和抑制性突觸分布密度也存在一些差異。

通過(guò)分析每個(gè)神經(jīng)元接受的突觸輸入，研究者發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)（96.49%）軸突與其目標(biāo)細(xì)胞僅形成一個(gè)突觸，但少數(shù)軸突卻能形成多個(gè)突觸（最多可達(dá)50個(gè)以上）而與目標(biāo)細(xì)胞建立特別強(qiáng)的連接。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種多突觸的“強(qiáng)連接”在興奮性和抑制性軸突中都普遍存在，其數(shù)量顯著高于隨機(jī)形成突觸時(shí)的預(yù)期水平。

研究者推測(cè),在大量隨機(jī)弱連接中，特定的少數(shù)軸突可能通過(guò)刻意形成的強(qiáng)連接來(lái)調(diào)控神經(jīng)元的活動(dòng)。

此外，研究者還詳細(xì)分析了一類特殊錐體神經(jīng)元。

這些“三角形”和“指南針”細(xì)胞的基底樹突存在兩種鏡像對(duì)稱的取向，提示它們可能有不同的功能。

不過(guò)作者同時(shí)聲明說(shuō)，有關(guān)樣本來(lái)自癲癇患者，雖然在光學(xué)顯微鏡下未發(fā)現(xiàn)明顯的病理學(xué)變化，但不能排除長(zhǎng)期癲癇或藥物治療可能對(duì)皮層組織的連接或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些更微妙的影響。

換言之，該模型的普適性可能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，但至少揭開了突觸網(wǎng)絡(luò)的又一層面紗。

而為了人們能利用建模結(jié)果發(fā)現(xiàn)更多的奧秘，研究團(tuán)隊(duì)將所有原始數(shù)據(jù)、建模結(jié)果和相關(guān)工具全都進(jìn)行了開源。

數(shù)據(jù)工具全部開源

作者建立了在線交互式數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)Neuroglancer，其他研究者可以用它在不同尺度上探索H01數(shù)據(jù)集。

其中就包括了所有原始的電鏡切片圖像，以及神經(jīng)元形態(tài)的分割結(jié)果，突觸位置及興奮性/抑制性，還有不同類型細(xì)胞的標(biāo)注，用戶可以靈活地觀察數(shù)據(jù)集的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。

除了數(shù)據(jù)，作者也開源了神經(jīng)元間突觸連接探索工具CREST，以及與Neuroglancer深度融合的在線協(xié)作式校正平臺(tái)CAVE，幫助其他研究者從各個(gè)角度探索和分析這個(gè)前所未有的大規(guī)模人腦數(shù)據(jù)集。

作者表示，對(duì)這項(xiàng)成果進(jìn)行開源，將為學(xué)界提供研究人腦結(jié)構(gòu)和功能的物理基礎(chǔ)，并為疾病研究提供參考。

盡管H01已經(jīng)帶來(lái)了前所未有的詳細(xì)信息，但相比于整個(gè)人腦，這些數(shù)據(jù)不過(guò)是這個(gè)龐大器官的冰山一角，未來(lái)還需要對(duì)人腦更多的區(qū)域、層面進(jìn)行類似的納米尺度成像和三維重建，作者也呼吁學(xué)界為止共同努力。

One More Thing

此次發(fā)布H01系列數(shù)據(jù)，正逢Google Research的Connectomics團(tuán)隊(duì)成立10周年。

此前，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)布過(guò)包含25000個(gè)神經(jīng)元和其間數(shù)百萬(wàn)連接的果蠅大腦圖譜。

去年，該團(tuán)隊(duì)還宣布與多所高校合作，斥資3300萬(wàn)美元，繪制小鼠大腦中海馬體的圖譜，該項(xiàng)目也是團(tuán)隊(duì)下一步的工作重點(diǎn)。

而本次發(fā)布的H01圖譜，最早是在2021年6月發(fā)布了數(shù)據(jù)集和預(yù)印本論文，經(jīng)過(guò)了優(yōu)化和對(duì)突觸特點(diǎn)更深層次的分析后，正式版論文于今日亮相。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858

參考鏈接：
[1]https://research.google/blog/a-browsable-petascale-reconstruction-of-the-human-cortex/。
[2]https://www.sciencealert.com/amazingly-detailed-images-reveal-a-single-cubic-millimeter-of-human-brain-in-3d。
[3]https://news.ycombinator.com/item?id=40313193。