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一项由150多名科学家领导的大规模多年项目绘制了最详细的地图……
一项由150多名科学家领导的历时多年的大规模项目绘制了迄今为止最详细的视觉信息在大脑中传播的地图——揭示了一小块鼠脑组织中超过5亿个连接。
研究人员利用发光神经元、高倍电子显微镜和深度学习技术，捕捉到了20多万个脑细胞的物理线路和实时电活动。由此产生的1.6拍字节的数据集不仅是一个技术奇迹——它使我们更接近于回答一些古老的问题：我们的大脑是如何将光转化为视觉的，以及当这个系统崩溃时，大脑疾病如何产生。
破解大脑的视觉密码在由美国国立卫生研究院（NIH）资助的重大研究工作中，科学家们绘制了小鼠大脑中数十万神经元之间的连接，并记录了它们对视觉输入的反应。通过将大脑的连接与实时活动相结合，这项工作为理解大脑如何处理视觉信息以形成我们看到的图像奠定了关键基础。
人脑通过大约860亿个神经元的快速电活动来处理信息，每个神经元都是一个拥有数万亿连接的巨大网络的一部分。我们的思考、感受和行动都根植于这些连接的结构以及在毫秒间流动的电信号中。尽管这项新研究只关注大脑的一小部分，但它揭示了单个神经元之间的联系以及这些联系如何贡献于功能。这些见解有助于解释大脑在健康状态下的工作方式，以及在损伤或神经疾病等情况下出了什么问题。
捕捉大脑的活动为了进行这项研究，研究人员向经过基因改造的小鼠展示了视频片段，这些小鼠的神经元在活跃时会发出光。这使得研究团队能够记录大脑视觉区域的神经元活动模式，覆盖的体积大约相当于一粒沙子的大小。尽管体积很小，但该组织的复杂性令人惊叹：约4公里长的轴突——这些纤细的纤维负责在神经元之间传递信号——交织在一起，形成了超过5.24亿个突触，连接着20多万个细胞。
构建大脑的3D电路图为了绘制这些连接，研究团队连续12天每天工作12小时，使用电子显微镜（EM）仔细切割并拍摄大脑组织的超薄切片。重建是接下来最具挑战性的步骤，因为它需要准确地将近2.8万张EM图像拼接在一起，以对齐穿过大脑组织体积的连接。
随后，研究人员花费数月时间使用深度学习算法追踪这些连接，并进行手动和自动校对。构建并验证了解释皮层视觉信息处理的深度学习预测模型。总体而言，为了创建这个微小的图谱，收集到的数据量达到了1.6拍字节，相当于连续播放22年的高清视频。
神经映射的新纪元这些成果出现在神经元及其连接的图谱越来越多地揭示大脑奥秘的时期。2023年，由美国国立卫生研究院“通过推进创新神经技术开展大脑研究”计划（NIH BRAIN Initiative）资助的研究绘制了小鼠大脑的第一个完整细胞图谱，包括从超过3200万个细胞中调查的类型和位置。去年，NIH BRAIN Initiative的“Flywire”项目完成了对普通果蝇大脑的完整映射，展示了完整映射整个大脑的独特价值。
本新闻稿中详细描述的小鼠连接组数据可以通过MICrONS Explorer资源在线查看。
本项目的资金由智能高级研究项目活动的皮层网络机器智能（MICrONS）计划和NIH BRAIN计划提供。这些发现发表在《Nature》系列期刊上的10篇论文中，代表了世界各地150多名科学家7年多来的工作。
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