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　　【新智元導(dǎo)讀】此前，谷歌與霍華德 · 休斯醫(yī)學(xué)研究所 (HHMI) 合作自動(dòng)重建了整個(gè)果蠅的大腦，現(xiàn)在，他們又迎來(lái)一個(gè)重要里程碑：已經(jīng)精確定位了 25,000 個(gè)神經(jīng)元之間的數(shù)百萬(wàn)個(gè)連接，這是有史以來(lái)最大、最詳盡的果蠅大腦地圖。戳右邊鏈接上新智元小程序了解更多！

　　長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們一直夢(mèng)想通過(guò)繪制完整的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，以了解神經(jīng)系統(tǒng)是如何工作的。

　　而近些年科學(xué)家們把目光鎖定在果蠅的大腦。

　　果蠅大腦的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是它的大小：果蠅的大腦相對(duì)較小，只有約 10 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，相比之下，老鼠的大腦有 1 億個(gè)神經(jīng)元，人類的大腦有 1000 億個(gè)神經(jīng)元。

　　這使得果蠅的大腦相對(duì)更容易作為一個(gè)完整的回路來(lái)研究。

果蠅大腦的自動(dòng)重建

　　去年 8 月，谷歌宣布了對(duì)整個(gè)果蠅大腦的第一個(gè)納米分辨率自動(dòng)重建，該重建專注于細(xì)胞的個(gè)體形狀。（詳見(jiàn)新智元報(bào)道：震撼！谷歌自動(dòng)重建了果蠅完整大腦：40 萬(wàn)億像素圖像首度公開(kāi)！）

　　但是，這項(xiàng)研究并未揭示有關(guān)果蠅大腦連接性的信息。

　　今天，谷歌與霍華德 · 休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的 Janelia 研究園區(qū)的 FlyEM 團(tuán)隊(duì)以及幾個(gè)研究合作伙伴，發(fā)布了“ 半腦”連接組（“hemibrain” connectome），這是對(duì)果蠅大腦中神經(jīng)元連接的高度詳細(xì)的繪制，還包含一套用于可視化和分析的工具。

　　一、涵蓋了 25,000 個(gè)神經(jīng)元，有史以來(lái)最大、最詳盡的果蠅大腦地圖

　　研究人員在被稱為“半腦”的雌性果蠅大腦的一部分中，追蹤了每個(gè)神經(jīng)元的路徑。繪制的圖像涵蓋了 25,000 個(gè)神經(jīng)元，按體積計(jì)算，大約占果蠅大腦的三分之一。

半腦數(shù)據(jù)集包含圖中藍(lán)綠色顯示的果蠅大腦的一部分，該區(qū)域包括參與學(xué)習(xí)、導(dǎo)航、嗅覺(jué)、視覺(jué)和許多其他功能的神經(jīng)元。

　　但其影響是巨大的，半腦中包括科學(xué)家感興趣的區(qū)域——那些控制諸如學(xué)習(xí)、記憶、嗅覺(jué)和導(dǎo)航等功能的區(qū)域。

通過(guò)追蹤蒼蠅大腦中神經(jīng)元的彎曲路徑，科學(xué)家們揭示了這些細(xì)胞如何連接和協(xié)同工作，例如這些參與導(dǎo)航的神經(jīng)元。

　　到目前為止，已經(jīng)確定了超過(guò) 2000 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)連接，這是有史以來(lái)最大、最詳盡的果蠅大腦地圖。這也是迄今為止繪制的最大的大腦連接突觸分辨率圖（在所有生物中）。研究團(tuán)隊(duì)有望在 2022 年之前完成對(duì)整個(gè)果蠅神經(jīng)系統(tǒng)連接組的繪制。

　　該項(xiàng)目的目標(biāo)是創(chuàng)造一種公共資源，使任何科學(xué)家都可以使用該公共資源來(lái)推進(jìn)自己的工作。此舉類似于 20 年前發(fā)布的果蠅基因組，它已成為生物學(xué)的基本工具。

　　二、電子顯微鏡逐點(diǎn)成像，F(xiàn)FN 自動(dòng)分割技術(shù)加速人工校對(duì)時(shí)間

　　為了克服構(gòu)建半腦連接組的挑戰(zhàn)，研究人員進(jìn)行了十多年的研究和開(kāi)發(fā)。在 Janelia，研究人員開(kāi)發(fā)了新的方法來(lái)對(duì)蒼蠅的大腦進(jìn)行染色，然后將這些組織分成單獨(dú)的 20 微米厚的薄片。

電子顯微鏡捕獲果蠅大腦的灰度圖像。然后，人類（以及經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練的算法）確定每個(gè)神經(jīng)元的開(kāi)始和結(jié)束位置，為每個(gè)神經(jīng)元賦予不同的顏色。

　　然后，使用聚焦離子束掃描電子顯微鏡對(duì)每個(gè)薄片進(jìn)行 8x8x8nm³體素分辨率成像，這些離子束是為連續(xù)數(shù)月的連續(xù)操作而定制的。研究人員開(kāi)發(fā)了計(jì)算方法，將原始數(shù)據(jù)拼接并對(duì)齊到一個(gè)連貫的 26 萬(wàn)億像素 3D 體積中。

研究人員設(shè)計(jì)的電子顯微鏡，連續(xù)運(yùn)行數(shù)周，即可對(duì)果蠅大腦的各個(gè)部分進(jìn)行逐點(diǎn)成像

　　但是，如果不對(duì)果蠅大腦中的神經(jīng)元進(jìn)行精確的 3D 重建，則無(wú)法從這種類型的成像數(shù)據(jù)中生成連接組。

　　2014 年，谷歌與 Janelia 建立了合作關(guān)系，開(kāi)始研究果蠅大腦數(shù)據(jù)，專注于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 3D 重建，共同致力于建立連接組。

　　經(jīng)過(guò)幾次技術(shù)開(kāi)發(fā)迭代后，研究人員設(shè)計(jì)了一種稱為 FNN（flood-filling networks）的方法，并將其應(yīng)用于重建整個(gè)半腦數(shù)據(jù)集。

果蠅半腦數(shù)據(jù)中神經(jīng)元的 FNN 分割（追蹤）部分

　　在當(dāng)前項(xiàng)目中，研究人員優(yōu)化了重建結(jié)果，使其對(duì)生成連接組更加有用，而不僅僅是顯示神經(jīng)元的形狀。

　　FFN 是第一種自動(dòng)分割技術(shù)，能夠產(chǎn)生足夠精確的重建，使整個(gè)半腦計(jì)劃得以進(jìn)行。這是因?yàn)樽詣?dòng)重建中的錯(cuò)誤需要專家級(jí)的人工“校對(duì)員”進(jìn)行糾正，而以前的方法估計(jì)需要數(shù)千萬(wàn)小時(shí)的人工努力。

　　計(jì)算機(jī)算法通過(guò)電子顯微鏡捕獲的圖像跟蹤單個(gè)神經(jīng)元的線程，并查明這些神經(jīng)元的連接位置。然后，人工校對(duì)人員檢查計(jì)算機(jī)的工作并補(bǔ)充缺失的部分。

　　借助 FFN，只需數(shù)十萬(wàn)小時(shí)的人工時(shí)間校對(duì)：兩個(gè)數(shù)量級(jí)的改進(jìn)。這個(gè)（仍然很重要的）校對(duì)工作是由一個(gè)高度熟練的注釋團(tuán)隊(duì)在兩年多的時(shí)間里完成的，他們使用了 Janelia 為此而率先開(kāi)發(fā)的工具和工作流程。

　　例如，注釋者使用 VR 耳機(jī)和自定義 3D 對(duì)象編輯工具來(lái)檢查神經(jīng)元形狀并修復(fù)自動(dòng)重建中的錯(cuò)誤。這些修訂隨后被用于重新訓(xùn)練 FFN 模型，進(jìn)而使機(jī)器的輸出更加準(zhǔn)確。

　　最后，經(jīng)過(guò)校對(duì)后，將重建與自動(dòng)突觸檢測(cè)結(jié)合在一起，以產(chǎn)生半腦連接組。Janelia 的科學(xué)家手動(dòng)標(biāo)記了單個(gè)突觸，然后訓(xùn)練了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器以自動(dòng)完成任務(wù)。

　　通過(guò)多輪標(biāo)記改進(jìn)了泛化能力，并且將來(lái)自兩種不同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的結(jié)果合并在一起，以在整個(gè)半腦中生成可靠的分類。

　　三、福利釋放：人人都可以通過(guò)可視化和編程方式研究果蠅連接組

　　今天谷歌宣布的重點(diǎn)是一組相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集和工具，使任何有興趣的人都可以通過(guò)可視化和編程方式研究果蠅連接組。具體來(lái)說(shuō)，可以使用以下資源：

• 數(shù) TB 的原始數(shù)據(jù)、校對(duì)的 3D 重建和突觸注釋可以進(jìn)行交互可視化或批量下載。
• 基于網(wǎng)絡(luò)的工具 neuPrint，可用于查詢?nèi)魏沃付ㄉ窠?jīng)元的連接性、連接強(qiáng)度和形態(tài)。
• 可下載的、緊湊的表示形式的連接組，其字節(jié)數(shù)比原始數(shù)據(jù)小約一百萬(wàn)倍。
• 介紹這些資源的使用的文檔和視頻教程。
• 一篇 pre-print，包含與半腦連接組的生產(chǎn)和分析有關(guān)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

　　接下來(lái)，研究人員將開(kāi)始使用半腦連接組來(lái)更深入的了解果蠅神經(jīng)系統(tǒng)。例如，一個(gè)重要的大腦回路是“中央復(fù)合體”，它整合了感官信息，并參與導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制和睡眠：

　　另一個(gè)正在深入研究的回路是“蘑菇體”，它是果蠅大腦中學(xué)習(xí)和記憶的主要部位，它的詳細(xì)結(jié)構(gòu)包含在半腦連接組中。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的谷歌发布史上最强1/3果蝇大脑地图，精准定位25000个神经元连接！的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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