如何为1000亿个脑细胞绘制地图？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Yongsoo Kim（宾州州立大学神经与行为科学副教授），编译：Måka，题图来自：视觉中国

一

没有人可以否认，脑是我们身体里最重要的器官之一，它能产生思维和行为，让我们生活在这个世界上。

更有趣的是，尽管它如此重要，但脑仅仅占据人体体积的2%。这么小的器官是如何能完成如此复杂的任务的？

幸运的是，类似脑图谱这样的现代工具让如今的神经科学家可以开始尝试回答这个问题。通过绘制出脑中所有类型的细胞是如何组织的，并研究它们是如何相互沟通的，神经科学家能更好地了解脑是如何正常运转的，并发现当某些部分缺失或者出现故障时会发生什么。

二

几个世纪以来，理解脑的内部运作一直吸引着哲学家和科学家。比如，亚里士多德提出，精神所在之处正是脑。达·芬奇用石蜡包埋法成功绘制了脑的解剖图。

到了19世纪，圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔对神经系统的细胞结构进行了早期的探索。在这一领域的研究让他成了1906年诺贝尔奖得主，也让我们在现代神经科学领域取得了最初的突破。拉蒙-卡哈尔也因此被称为现代神经科学之父。

拉蒙-卡哈尔利用高尔基染色法，以及对脑组织的显微镜检查，建立起了影响深远的神经元学说。这一理论认为，在主要类型的脑细胞中，神经元之间通过被称为突触的细胞间隙进行交流。这些发现引发了一场了解脑细胞组成以及脑细胞之间相互连接的科学竞赛，极大地推动了神经科学的进步。

自那之后，现代神经科学经历了新实验工具的爆发式快速发展。把时间快进100年来到今天，包括脑图谱在内的一系列现代神经技术工具，为神经科学家提供了一种近距离检查脑各种组成部分的方法。

目前，全世界许多实验室一直在利用这些脑图谱工具来了解构成脑的细胞类型，以及它们在认知的产生中起到了怎样的作用。

三

脑图谱究竟是如何构建的？

科学家首先需要标记某种特定的细胞类型。这个过程就好像大海捞针，如果这根“针”，或者说这个细胞类型会发光，那整个过程就容易得多。这其实可以通过遗传或免疫染色的方法实现。

遗传方法利用了基因工程，它能让动物（比如小鼠）的细胞类型在特定的荧光灯下变得可见。而免疫染色方法则是用特殊的化学试剂让脑样本变得透明，利用抗体借助荧光标签来标记目标细胞类型。

下一步是利用显微技术对整个脑进行成像，这让科学家能够看到肉眼无法看到的微小部分。专门的显微工具可以拍摄脑的快照，也就是图块。把这些图块拼接在一起，就可以像拼图一样重建出完整的3D体积。

显微工具可以将不同图块拼接成整个大脑的照片。从小鼠大脑的高分辨率图像中可以看到将图像缝合在一起的矩形线条，每个彩色点代表一种特定的脑细胞类型。｜图片来源：Yongsoo Kim, CC BY-NC-ND

这就好像构建出了一张脑的地图，通过组合数百万张“街道”的照片，我们放大就能看到每个街角，而缩小则能看见整个“城市”。

这种类型的3D成像会带来非常大的数据集。虽然小鼠大脑的大小还不到人的指尖，但这些数据集的大小很容易就会达到数百GB到1TB之间。幸运的是，计算机设备和软件的显著进步使大规模数据分析成为可能。特别是人工智能算法使科学家能够检测脑中不同的细胞特征，比如细胞形状和大小，以及它们所经历的过程。

一旦科学家能够在图像数据集中检测到他们的目标细胞类型，最后一步就是在参考脑中定位特定的细胞特征。这个参考脑可以作为一个标准化的地图，显示每个脑区的位置。然后，科学家可以使用这张地图与个体的脑进行比较，并注意到其中的变化。

针对每一种细胞类型，这些步骤都要重复一遍，而每一次重复都会带来更丰富、更完整的脑地图。

四

科学家现在有了合适的工具，可以非常详细地研究整个大脑。人们已经做出了巨大的努力，协调并汇集来自各个脑图谱研究实验室的数据，创建出更全面的脑图谱。

但更关键的问题是，这就足以理解脑是如何运作的吗?

细胞染色和显微技术的进步的确帮助拉蒙-卡拉尔做出了有关神经元的关键发现，但正是他提出理论来解释那些观察结果的能力，真正推动了现代神经科学对脑的理解。

一些神经科学家认为，虽然研究人员一直在忙于收集有关脑的详细信息，但相对而言，利用这些数据创建有关脑如何运作的新理论却远远落后了。

一张细胞的图谱并不一定能告诉研究人员各种细胞作为一个整体是如何运作并相互作用的。例如，这些极其复杂的脑细胞网络是如何协同工作来产生认知的？脑中是否有一个基本单位指导它的形成和功能？尝试回答这些问题，将有助于研究人员了解特定的脑部变化与痴呆等不同的脑部疾病的关联，并帮助提出新的治疗策略。

对于神经科学研究来说，这是一个非常激动人心的时刻。高分辨率的脑图谱为神经科学家提供了一个很好的机会，深入思考这些新数据对脑工作方式的影响。

虽然关于脑还有很多未知的东西，但这些新的工具和技术都可以帮助人们不断了解它。

#参考来源：

https://theconversation.com/mapping-how-the-100-billion-cells-in-the-brain-all-fit-together-is-the-brave-new-world-of-neuroscience-170182

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Yongsoo Kim（宾州州立大学神经与行为科学副教授），编译：Måka