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首获得哺乳动物大脑新皮层数字立体超微结构

将一个细胞大小的大脑组织的显微结构组装起来,竟用了6年时间。不过这事实确实如此,而且这并不是一个消极怠工的团队,哈佛大学细胞生物学家Jeff Lichtman重建一小块小鼠脑组织数字结构的研究立刻受到极大关注,这是超微数字重建领域的重要进展,因为这是第一次获得的哺乳动物大脑皮层三维显微结构图。该研究论文最近发表在《细胞》杂志。

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这个脑组织大小大约为1500立方微米,这和1000亿个细胞组成的人类大脑相差十分遥远。但是,西雅图艾伦脑科学研究所主席Christof Koch认为,该研究采用的许多技术将会对未来十多年大脑研究产生巨大促进作用。Lichtman小组已经瞄准了更大目标,向立方毫米大小大脑组织块三维数字结构重建冲击。这种大小的大脑组织是最新这一报道的60万倍。研究将部分接受上月获得美国政府的智能先进研究项目活动IARPA资金支持。IARPA属于高风险高回报研究项目,目标是联合哈佛和麻省理工学院对大脑的精细结构和功能进行分析,最终解析大脑在学习等功能的细胞信息计算基础。新皮层是神经科学家非常有兴趣的区域,在人类和哺乳动物相对比较发达。


大脑内神经元之间主要借助突触相互联系,借助突触化学递质信号可以在神经元之间传递,为适应大脑功能的需要突触可以建立和消除。突触结构非常细小,只能借助电子显微镜才能观察。许多突触都形成于一个神经元短的树突和另一个神经元长轴突之间。


这一对大脑组织进行超微结构数字重建不是一个简单的工作。第一步,将脑皮层躯体感觉皮质用钻石刀片切成几千张薄片。把这些大脑组织薄片连起来卷到一个特殊的塑料带上,每天大约能完成1000张切片。这些切片用扫描电子显微镜进行分析拍照,这些显微镜功能足够强大能将突触囊泡清楚显示。

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对组织超微结构进行重建,最难的就是如何区分两个邻近神经元的树突,因为他们相互纠缠在一起。另外一个困难就是如何将相邻切片的结构准确拼接,因为经过多步骤操作,结构已经发生了很大改变。为克服这些问题,这些科学家开发出计算机程序,给不同神经元分配不同的颜色,这样能跟踪每个不同切片中的同一个神经元。这大大地提高了自动分析的范围和工作效率。这块组织十分小,难以包括一个完整的细胞,但已经包含超过1600个神经元和其他6种非神经元神经组织细胞,大约有1700个神经突触。

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这一研究发现了一些新的现象,例如,一些神经信息学家曾经推测,两个神经元之间形成突触主要是因为两者在物理空间上接近,但最新这一研究否定了这一看法。突触形成表现出明显的偏好。这一现象已经在视网膜和海马超微结构上被发现。英国爱丁堡大学神经学家Seth Grant说,目前正在进行的一些研究或许能给这种偏好提供答案。

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Lichtman小组目前正在用同样方法分析新生儿小鼠大脑皮层,以分析是否突触联系在动物早期发育阶段有类似现象。他们也对人类大脑皮层进行类似分析。


这种超微结构数字重建研究不仅能提高科学家对大脑功能的理解,而且能帮助设计出新的计算机计算方法。IARPA目前正在与哈佛大学麻省理工学院联合智能实验室集团谈判,哈佛MIT联合实验室集团由13个不同实验室组成,属于基于大脑皮层神经网络的机器智能MICrONS的一部分。IARPA负责人JacobVogelstein说,MICrONS 的总体目标,是在学习大脑工作原理基础上,通过逆向工程彻底改变机器的学习能力。IARPA也投资于神经科学,因为我们对人类的认知、行为和决策等大脑功能都有兴趣。

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