克雷西 發(fā)自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
芝麻粒大小的人腦組織，突觸規(guī)模就相當于一個GPT-4！
谷歌與哈佛聯(lián)手，對局部人腦進行了納米級建模，論文已登Science。
這是迄今為止最大、最詳細的人腦復(fù)制品，首次展示出了大腦中的突觸連接網(wǎng)絡(luò)。
憑借超高分辨率，這個名為H01的重建，已經(jīng)揭示了一些以前未曾見過的關(guān)于人類大腦的細節(jié)。
項目通訊作者、哈佛大學Lichtman教授介紹說，在此之前，沒有人真正看到過這樣復(fù)雜的突觸網(wǎng)絡(luò)。
這一建模成果，將有助于更深入地了解大腦的運作方式，啟發(fā)人類對大腦功能和疾病的進一步研究。
另外值得一提的是，該研究涉及了1立方毫米的人腦組織，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量卻高達1.4PB。
據(jù)此，有人根據(jù)人腦的體積推算，若要對整個人腦進行建模，會產(chǎn)生1.76ZB的數(shù)據(jù)，而目前最先進的超級計算機存儲容量也才萬分之七ZB，不足單個人腦單個狀態(tài)的0.4%。
即使把所有整個互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器都拿過來，也不過只能存儲下9個人腦。
同時，1立方毫米體積的腦組織中包含了5.7萬細胞和1.5億突觸，而整個大腦中的突觸數(shù)量更是高達千萬億。
相比之下，GPT-4的參數(shù)量只有2萬億，不過是人腦突觸數(shù)量的百分之0.2，按照這樣計算放到大腦里也就是芝麻粒的大校
有人就此發(fā)出感嘆，AGI恐怕又是要遙遙無期了……
納米級建模帶來新發(fā)現(xiàn)
具體來看，研究者獲得了一個來自45歲女性癲癇患者的顳葉皮層組織樣本，大小約為1立方毫米。
樣本經(jīng)過快速固定、染色和樹脂包埋后，研究者使用帶自動收集裝置的超薄切片機切成了5019個厚度約33.9納米的連續(xù)切片。
然后研究者利用多束掃描電子顯微鏡對每個切片以4×4納米/像素的分辨率成像,獲得了總大小約1.4PB的原始二維圖像數(shù)據(jù)。
接下來，研究者使用計算工具對這些二維圖像進行了拼接、對齊，并重建出三維的體素數(shù)據(jù)。
之后，他們采用一種稱為flood-filling networks（FFN）的機器學習算法對整個體素進行神經(jīng)元形態(tài)分割，并通過人工校正分割錯誤，最終重建出了這1立方毫米腦組織內(nèi)所有細胞、突觸和血管等結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)。
FFN由Google Brains在2018年提出，基本思想是從一個種子點出發(fā)，遞歸地向周圍擴展，標記所有與之連通的體素，直到遇到背景或其他物體的邊界為止。
同時，他們還使用機器學習模型對突觸位置進行自動識別，以及區(qū)分興奮性、抑制性突觸。
最終，團隊成功在納米級別建模出了1立方毫米的腦組織，包含5萬多個細胞核1.5億突觸，以及其間230毫米的超細靜脈。
在此基礎(chǔ)之上，通過分析重建的細胞形態(tài)，研究者鑒定出了該腦區(qū)的主要細胞類型組成。
在共57180個細胞中，49080個為神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞，8100個與血管相關(guān)，而在神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞中，后者數(shù)量是前者的2倍左右。
在神經(jīng)元中，65.5%為有刺突的錐體狀神經(jīng)元，29.1%為光滑突起的中間神經(jīng)元；而在膠質(zhì)細胞中，少突膠質(zhì)細胞最為常見。
研究者開發(fā)了機器學習模型用于自動識別突觸位置及其類型（興奮性/抑制性）。
該腦區(qū)共包含約1.5億個突觸，其中1.11億個為興奮性突觸，另外3900萬個為抑制性突觸，不同皮層層面的興奮性和抑制性突觸分布密度也存在一些差異。
通過分析每個神經(jīng)元接受的突觸輸入，研究者發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)（96.49%）軸突與其目標細胞僅形成一個突觸，但少數(shù)軸突卻能形成多個突觸（最多可達50個以上）而與目標細胞建立特別強的連接。
進一步分析發(fā)現(xiàn)，這種多突觸的“強連接”在興奮性和抑制性軸突中都普遍存在，其數(shù)量顯著高于隨機形成突觸時的預(yù)期水平。
研究者推測,在大量隨機弱連接中，特定的少數(shù)軸突可能通過刻意形成的強連接來調(diào)控神經(jīng)元的活動。
此外，研究者還詳細分析了一類特殊錐體神經(jīng)元。
這些“三角形”和“指南針”細胞的基底樹突存在兩種鏡像對稱的取向，提示它們可能有不同的功能。
不過作者同時聲明說，有關(guān)樣本來自癲癇患者，雖然在光學顯微鏡下未發(fā)現(xiàn)明顯的病理學變化，但不能排除長期癲癇或藥物治療可能對皮層組織的連接或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些更微妙的影響。
換言之，該模型的普適性可能還有待進一步驗證，但至少揭開了突觸網(wǎng)絡(luò)的又一層面紗。
而為了人們能利用建模結(jié)果發(fā)現(xiàn)更多的奧秘，研究團隊將所有原始數(shù)據(jù)、建模結(jié)果和相關(guān)工具全都進行了開源。
數(shù)據(jù)工具全部開源
作者建立了在線交互式數(shù)據(jù)可視化平臺Neuroglancer，其他研究者可以用它在不同尺度上探索H01數(shù)據(jù)集。
其中就包括了所有原始的電鏡切片圖像，以及神經(jīng)元形態(tài)的分割結(jié)果，突觸位置及興奮性/抑制性，還有不同類型細胞的標注，用戶可以靈活地觀察數(shù)據(jù)集的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。
除了數(shù)據(jù)，作者也開源了神經(jīng)元間突觸連接探索工具CREST，以及與Neuroglancer深度融合的在線協(xié)作式校正平臺CAVE，幫助其他研究者從各個角度探索和分析這個前所未有的大規(guī)模人腦數(shù)據(jù)集。
作者表示，對這項成果進行開源，將為學界提供研究人腦結(jié)構(gòu)和功能的物理基礎(chǔ)，并為疾病研究提供參考。
盡管H01已經(jīng)帶來了前所未有的詳細信息，但相比于整個人腦，這些數(shù)據(jù)不過是這個龐大器官的冰山一角，未來還需要對人腦更多的區(qū)域、層面進行類似的納米尺度成像和三維重建，作者也呼吁學界為止共同努力。
One More Thing
此次發(fā)布H01系列數(shù)據(jù)，正逢Google Research的Connectomics團隊成立10周年。
此前，該團隊還發(fā)布過包含25000個神經(jīng)元和其間數(shù)百萬連接的果蠅大腦圖譜。
去年，該團隊還宣布與多所高校合作，斥資3300萬美元，繪制小鼠大腦中海馬體的圖譜，該項目也是團隊下一步的工作重點。
而本次發(fā)布的H01圖譜，最早是在2021年6月發(fā)布了數(shù)據(jù)集和預(yù)印本論文，經(jīng)過了優(yōu)化和對突觸特點更深層次的分析后，正式版論文于今日亮相。
論文地址：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858
參考鏈接：
[1]https://research.google/blog/a-browsable-petascale-reconstruction-of-the-human-cortex/
[2]https://www.sciencealert.com/amazingly-detailed-images-reveal-a-single-cubic-millimeter-of-human-brain-in-3d
[3]https://news.ycombinator.com/item?id=40313193
