突触是神经网络的“桥梁”。我们知道人脑中有860亿个神经元。由于突触，神经元上的电信号可以传输到下一个神经元。长期以来，科学家们一直梦想通过绘制整个大脑神经网络的结构图来了解神经系统的工作原理。不知道大家有没有看过高分辨率自动重建的3D大脑皮层图？近日，谷歌与哈佛大学Lichtman实验室合作发布了最新的“H01”数据集，这是一个1.4PB的人类脑组织小样本渲染图。H01样品通过连续切片电子显微镜以4nm分辨率成像，通过自动化计算技术重建和注释，最终可以看到初步的人类大脑皮层结构。（警告：密集恐惧绕道而行）该数据集包括覆盖大约一立方毫米的皮层组织、数万个神经元、几个神经重建片段、1.3亿个带注释的突触、104个整理好的Cell和许多其他亚细胞注释和结构。△左：数据的小子图|右图：数据集中的5000个神经元，以及兴奋性（绿色）和抑制性（红色）连接的子图所有数据都可以通过Neuroglencer访问。H01是迄今为止对任何活生物体大脑皮层进行这种级别的成像和重建的“最大样本”。这也是人类大脑皮层“突触连接”的“首次大规模”研究，涉及大脑皮层各个层级的多种细胞类型。该项目的主要目标是为研究人脑提供新资源，并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”已发表在bioRxiv：△论文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2021.05.29.446289v1大脑皮层“地图”：1.3亿个突触，数万个神经元首先，你要先了解神奇的大脑皮层（cerebralcortex）。大脑皮层是脊椎动物大脑的表层薄层，属于大脑乃至整个神经系统进化史上最晚、功能最先进的部分，在不同哺乳动物（尤其是人类）之间表现出“最大的尺寸差异”.大脑皮层的每一部分分为6层，每一层都有不同类型的神经细胞（如棘星状神经元）。大脑皮层在思维、记忆、计划、感知、语言和注意力等大多数“高级认知功能”中起着关键作用。虽然在理解这种非常复杂的组织的宏观结构方面取得了一些进展，但其在单个神经细胞水平上的结构及其相互连接的突触在很大程度上仍然是未知的。人脑连接组学：从手术活检到3D数据库以单个突触的分辨率绘制大脑结构图需要高分辨率显微镜，该显微镜可以对生化稳定（固定）组织进行成像。该研究小组与麻省总医院(MGH)的脑外科医生合作，他们有时会在癫痫手术期间切除部分正常人类大脑皮层，以进入发生癫痫发作的大脑深处。切除的组织通常会被丢弃，研究小组从患者那里获得匿名捐赠，供Lichtman实验室的同事进行研究。哈佛研究人员使用自动胶带采集超薄切片机，将组织切成约5,300个30纳米的薄片，将薄片放在硅晶片上，并在定制的61束平行扫描下以4纳米尺度对它们进行检查电子显微镜。脑组织高分辨率成像，图像采集速度快。对5,300个物理切片进行成像，产生2.25亿个单独的2D图像。然后研究团队通过计算拼接并对齐这些数据以生成单个3D体积。虽然数据质量通常很好，但这些对齐通道必须稳健以应对各种挑战，包括成像伪影、缺失部分、显微镜参数变化以及组织的物理拉伸和压缩。对齐后，应用使用数千个GoogleCloudTPU的多尺度泛洪填充网络(FNN)管道来生成组织中每个单独细胞的3D分割。FFN是第一个能够产生足够精确重建的自动分割技术。额外的机器学习管道被用来识别和描述“1.3亿个突触”，将每个3D片段分割成不同的“子区域”（例如轴突、树突或细胞体），并识别其他感兴趣的结构，例如髓鞘和纤毛.自动重建的结果并不完美，因此需要手动“修正”数据中??大约100个单元格。随着时间的推移，研究团队希望通过额外的人力和自动化的进一步发展，将更多的细胞添加到这个经过验证的集合中。Neuroglancer：一种皮质可视化工具图像数据、重建和注释可以通过称为Neuroglancer的基于Web的交互式3D可视化界面进行可视化，该界面最初是为可视化果蝇大脑而开发的。Neuroglancer是一种广泛应用于连接组学领域的开源软件。为了支持H01数据集的分析，引入了一些新功能，特别是支持根据数据集的类型或其他属性搜索特定神经元。△连接H01的Neuroglancer接口和注释。用户可以根据细胞层次结构和类型选择特定的细胞，并可以查看输入和输出突触。继最大的果蝇脑图和神经元3D模型之后，2019年，谷歌与霍华德休斯医学研究所和剑桥大学合作，通过Flood-FillingNetwork算法和TPU将果蝇大脑切割成数千个40纳米的碎片chips果蝇超薄切片，利用透射电子显微镜对每片切片生成图像，得到超过40万亿像素的果蝇大脑图像，然后将2D图像对齐，形成完整的果蝇大脑3D图像。首次成功重建了果蝇大脑神经元的3D模型，但并未揭示果蝇大脑神经元“连通性”的信息。△40万亿像素下的果蝇大脑重建2020年，谷歌发布了有史以来最大、最详细的果蝇大脑图，高度详细地描绘了果蝇大脑中的神经元连接。去年初，谷歌与霍华德休斯医学研究所（HHMI）的FlyEM团队发布了“半脑”连接组。绘制的图像覆盖了25,000个神经元。约占果蝇大脑的三分之一。在目前的研究中，谷歌研究人员仍面临技术难题。因为，H01是PB级别的数据集，却只有整个人脑容量的百万分之一。将突触级大脑映射到整个小鼠大脑（比H01大500倍）仍然存在严重的技术挑战，更不用说整个人类大脑了。其中一个挑战是数据存储：老鼠的大脑可以生成EB级的数据，而存储这些数据非常昂贵。为了解决这个问题，谷歌研究人员使用了一种基于机器学习的去噪策略，将数据压缩了至少17倍。未来，数据集的庞大规模将要求研究人员制定新的策略来组织和访问连接数据中固有的丰富信息。这将是谷歌研究人员未来继续努力的方向。
