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谷歌发布了史上最强大的人脑“地图”,在线将3D神经元“森林”可视化

发布时间:  来源:河洛网

突触是神经网络的“桥梁”。

谷歌发布了史上最强大的人脑“地图”,在线将3D神经元“森林”可视化

研究表明,人脑有860亿个神经元,由于有突触,神经元上的电信号可以传递到下一个神经元。

长期以来,科学家们一直梦想通过描绘完整的大脑神经网络结构来了解神经连接是如何工作的。

看过高分辨率自动重建的3D大脑皮质地图吗?

最近,谷歌与哈佛大学的Lichtman研究所合作,发布了最新的“H01”数据集。 这是1.4 PB人脑组织的小样本的渲染图。

H01样品用连续切片电镜以4nm分辨率拍摄,用自动计算技术进行重建和注释,最后可以看到初步的人类大脑皮质结构。

(警告)密集恐怖者请绕行)。

该数据集包括覆盖约1立方毫米的皮质组织,包括数万个神经元、几个神经重建源片段、1亿3000万个带注释的突触、104个校正细胞以及许多其他子细胞注释和结构。

▲左(数据之子)右)连接数据集内的5000个神经元和兴奋性(绿色)和抑制性)红色)的子图

所有数据都可以通过Neuroglencer访问。

H01是迄今为止所有生物中大脑皮层进行了这种程度的成像和重建的“最大样本”。

也是研究“最初的大规模”人类大脑皮质的“突触结合性”的样本,这种结合性跨越了大脑皮质内各个层次的多个细胞类型。

该项目的主要目标是为研究人类大脑提供新的资源,改进和扩展连接组学的基础技术。

目前,该研究的最新成果“aconnectomicstudyofapetascalefragmentofhumancerebralcortex”发表在bioRxiv上:

△论文地址: https// www.bior XIV.org/content/10.1101/2021.05.29.446289 V1

大脑皮层“地图”: 1亿3000万个突触、数万个神经元首先,必须了解不可思议的大脑皮层( cerebral cortex )。

大脑皮质是脊椎动物大脑的薄表层,是整个大脑和神经系统进化史上最晚出现、功能最高级的部分,在不同哺乳动物中表现出“最大尺寸的差异”。

大脑皮质的各部分分为6层,各层有不同种类的神经细胞(如刺星状神经细胞)。 大脑皮质在思考、记忆、计划、感知、语言、注意力等大多数“高级认知功能”中起着重要的作用。

虽然在理解这些非常复杂的组织宏观结构方面取得了一些进展,但是各个神经细胞层面的结构和它们相互连接的突触在很大程度上是未知的。

大脑连接组学:从外科活检到3D数据库,根据各个突触的分辨率绘制大脑结构图,需要能够对生化稳定(固定)的组织进行成像的高分辨率显微技术。

研究小组与马萨诸塞州综合医院( Massachusetts General Hospital,MGH )的脑外科医生合作,在进行治疗癫痫的手术时,为了进入大脑深处癫痫发作的位置,切除了正常人类大脑皮质的一部分。

切除的组织通常被抛弃,研究小组从患者那里得到匿名捐赠,Lichtman实验室的同事在进行研究。

哈佛大学的研究人员使用自动磁带收集显微镜将组织切割成约5300个30纳米的切片,将这些切片放置在硅晶片上,用定制的61个平行扫描电子显微镜以4纳米的分辨率对脑组织进行成像,然后形成图像

将5300个物理切片图像化,生成2亿5300万张独立的二维图像。

然后,研究小组通过计算将这些数据连接( stitch )和对位( align ),生成单一的3D体积。

虽然数据质量总体上很好,但为了应对图像伪影、缺失部分、显微镜参数的变化、组织的物理伸缩和压缩等挑战,需要加固这些对齐通道。

对齐后,成千上万的谷歌云TPU、多尺度填充网络( FNN )管道将应用于生成组织中各个细胞的3D分割。

fn是最初的自动分割技术,能够进行充分正确的重构。

其他机器学习管道用于识别和描述“1亿3000万个突触”,将每个3D片段分成不同的“子区域”(轴突、树突、细胞体等),识别其他感兴趣的结构,如髓磷脂和纤毛等。

由于自动重构的结果并不完美,所以需要人工“校正”数据中的约100个细胞。

随着时间的推移,研究小组希望通过额外的人工努力和自动化的进一步发展,在这个经过验证的集合中增加额外的细胞。

Neuroglancer :大脑皮质可视化工具的图像数据、重构结果和注释可以通过称为Neuroglancer的基于交互网络的3D可视化界面进行显示。 最初是为了将果蝇的大脑可视化而开发的。

Neuroglancer是一种开源软件,广泛应用于连接组学领域。

为了支持H01数据集的分析,引入了一些新的特性,特别是支持根据数据集的类型和其他属性来搜索特定神经元。

连接H01和注释的Neuroglancer接口。 用户可以根据细胞的层次和类型选择特定的细胞,看到输入和输出的突触。

继最大果蝇的大脑地图和神经元3D模型之后,2019年,谷歌和霍华德• 休斯医学研究所和剑桥大学合作,通过流式网络算法和TPU芯片,将果蝇的大脑分割为数千个40纳米的超薄切片,使用透射电镜生成各切片的图像,生成40兆像素以上的果蝇

虽然首次成功重建了果蝇大脑神经元的3D模型,但果蝇大脑神经元“连接性”的信息尚未明确。

△ 40兆像素下的果蝇大脑重建

2020年,谷歌发布了史上最大、最详细的果蝇大脑地图,绘制了果蝇脑内神经元连接的高度详细的图。

去年年初,谷歌和霍华德• 休斯医学研究所( HHMI )的FlyEM团队等发表了“半脑”连接组)“hemi brain”connect ome ),制作了涵盖25000个神经元的图像。 以体积计算,约占果蝇大脑的三分之一。

在目前的研究中,谷歌的研究者仍然面临着技术难题。

因为,H01是Pb级数据集,但只有人类整体大脑容量的百万分之一。

将突触级的大脑映射到老鼠的整个大脑(比H01大500倍)中,不仅是人类的整个大脑,仍然有严重的技术难题。

挑战之一是数据存储。 鼠标的大脑可以生成1EB的数据,但是保存数据是很昂贵的。

为了解决这个问题,谷歌的研究人员使用基于机器学习的去噪策略压缩了至少17倍的数据。

将来,随着数据集的扩大,研究者需要开发新的战略来组织和访问连接数据固有的丰富信息。

这将成为谷歌研究者将来也要努力的方向。

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