◤研究人员将果蝇的大脑切成了成千上万个40纳米的超薄切片。
用透射电子显微镜对果蝇大脑切片进行成像,产生了超过40万亿像素的大脑图像,并将2D图像整合成连贯的3D图像。
果蝇。
齐鲁晚报·齐鲁壹点
记者 任志方
高达40万亿像素的 果蝇大脑3D图像
2017年10月2日,美国遗传学家杰弗里·霍尔、迈克尔·罗斯巴什和迈克尔·杨,因为利用果蝇作为模式动物,发现了控制生物钟的分子机制,而获得2017年诺贝尔生理学或医学奖。一种经常在腐烂水果上飞舞的小虫子——果蝇,成为人们关注的焦点。
果蝇是公认被人类研究最彻底的生物之一,截至目前,已有八个诺贝尔生理学或医学奖颁发给使用果蝇的相关研究,这些研究推动了分子生物学、遗传学和神经科学的发展。这表明果蝇仍然是生命科学研究领域一种至关重要的模式动物,时至今日,很多科学家还在利用果蝇开展一系列原创研究。
果蝇的一个重要优势是它们的大小:果蝇的大脑相对较小,只有10万个神经元,相比之下,老鼠的大脑有1亿个神经元,人类的大脑有1000亿个神经元。这使得果蝇大脑更容易作为一个完整的回路来研究。
8月7日,谷歌与霍华德·休斯医学研究所和剑桥大学合作,发布了一项深入研究果蝇大脑的重磅成果——自动重建整个果蝇的大脑。他们使用数千个谷歌云TPU(注:即张量处理单元,是一款为机器学习而定制的芯片),重建的完整果蝇大脑高达40万亿像素。有了完整的大脑图像,科学家距离了解大脑如何工作更近了一步。
实验过程中,研究人员将果蝇的大脑切成了成千上万个40纳米的超薄切片,而后用透射电子显微镜对每个切片进行成像,产生了超过40万亿像素的大脑图像,并且将这些2D图像整合成连贯的3D果蝇大脑图像。
这不是果蝇大脑第一次得到完整绘制,今年1月,《科学》杂志介绍了麻省理工和霍华德·休斯医学研究所科学家们成功对果蝇的完整大脑进行了成像,并且清晰度达到了纳米级,但那次仍是人工的方法,使用了两种新的显微镜技术。而此次绘制果蝇大脑神经系统,研究人员先对大脑组织进行纳米级的3D成像(通常使用电子显微镜),然后分析成像数据结果,以追踪大脑的神经突触并识别单个突触连接。由于成像分辨率高,即使是一立方毫米的果蝇大脑组织也能产生1000多TB的数据。
这些图像中的结构相当复杂、精细,因为大脑成像的主要瓶颈在于数据的自动解读,而非获取。面对如此庞大的数据,谷歌使用了数千个谷歌云TPU,以特定的算法,自动跟踪果蝇大脑中的每个神经元。
能自动重建果蝇大脑
离绘制人脑更近一步
几十年来,神经科学家一直梦想绘制出一幅完整的人类大脑神经网络的精细地图,但对于拥有1000亿神经网络的人脑,需要处理的数据量之巨大是难以想象的。如果能自动重建果蝇大脑,也许离自动绘制人脑就更近一步了。
就在今年7月中旬,据美国《科学新闻》双周刊网站报道,在强大的磁共振成像(MRI)技术的支持下,经过100多小时的扫描,美国研究人员获得了迄今最详细的人脑三维图像,新图像的分辨率足以让人看清直径小于0.1毫米的物体,有望增进对健康和患病人脑结构的了解。
为了获得这一新图像,美国波士顿马萨诸塞综合医院和其他地方的研究人员对一名死于病毒性肺炎、享年58岁的女性的大脑进行了研究。这名女性捐献的大脑被认为是健康的,保存了近三年。在开始扫描前,研究人员定制了一个球形聚氨酯容器,它可使待扫描的大脑保持静止,干扰气泡逸出。随后,大脑被装入一台被称为“7特斯拉”(7T)的功能强大的MRI(核磁共振)机器中,接受了近五天的扫描。7T功能强大、扫描时间足够长而且大脑处于高度静止状态,这些因素使生成的图像分辨率极高。
这次扫描获得了前所未有的100微米分辨率人脑空间成像,清晰地显示了大脑结构,展现了包括杏仁核在内的脑部区域细节,有助于加深人类对创伤后应激障碍等疾病的理解。
研究人员介绍说,这种高强度、长时间的扫描方式无法重复在活体上,因为没有活人可以忍受连续100小时的扫描。同时,任何微小的生命活动(如呼吸和血液流动)都会影响图像的清晰度。因此,只有离体标本才能满足实验需求。
阅读人类的思维
开发出可视化AI系统
绘制如此高精度的大脑图像,到底有什么作用?
2016年3月,《美国国家科学院院刊》上发表了一项研究成果,该研究由德国和意大利的研究人员共同完成,他们利用了100名癫痫病患者的大脑解剖和功能数据,制作出了基于时间和大脑位置变化的非疼痛躯体感觉刺激的人类皮质处理图像。图像显示出,仅用于手的人类躯体感觉系统占据了左右大脑半球超过10%的网络。
这些阶段性的数据证明了大脑皮质的处理模式,但也面临一个致命的问题,那就是图像数据还不够精细,不足以证明结论。
而最近两年来诞生的新技术,正在提供更为精确的大脑图像。对研究人员来说,这些新的成像技术可定位单个神经细胞,跟踪神经细胞之间的连接,并可视化神经细胞内的细胞器,这些对于深入研究大脑具有重要意义。
未来这一技术将用于研究一些依靠传统技术无法解决的问题,如追踪控制记忆形成和回忆的电路、研究感官输入如何导致特定行为、分析情绪如何与决策结合,等等。此外,研究人员还指出,新技术也可以用于神经科学以外的研究,如艾滋病病毒如何逃避免疫系统、癌细胞如何与周围细胞相互作用等问题。
日本科学家甚至打算利用功能性磁共振成像扫描大脑,以无线方式跟踪脑活动,远程地阅读人类的思维,开发出一种能够将人类思维可视化的AI系统。
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