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「Nature」破译大脑:追踪15000个神经元绘制最详细神经回路图
作者:   来源:新智元   发布者:尹海华   日期:2017-08-11   今日/总浏览:3/269

「Nature」破译大脑:追踪15000个神经元绘制最详细神经回路图

Marta Zlatic 所收藏的电影,可能世界上最乏味的。在她位于弗吉尼亚州阿什本的实验室里,神经科学家们已经存储了超过20000小时的黑白影片,拍摄的对象是果蝇幼虫。这些被拍摄的幼虫做的是最单调的事情,例如扭动和爬行,但这些影片可以帮助回答现代神经科学中最大的问题之一:大脑的“回路”如何创造行为。

这是神经科学领域的一个主要目标:了解神经元是如何连接,信号是如何通过网络传播,以及这些信号是如何协同工作,为动物进行方向导航、做决策,或让人类得以表达情感,创造意识。

在最单调的情况下——有普通的照明,没有感官线索,它们也不感到饥饿”——Zlatic 说,这些果蝇幼虫可以做30个不同的动作,包括收缩,转头,滚动等。产生这些动作的是它们仅有15000个神经元的大脑。这与人脑的860亿神经元相比简直是毛毛雨,这也是 Zlatic 和她的队友喜欢这种幼虫的原因之一。

“目前来说,果蝇幼虫是最好的研究对象。”Zlatic 的合作研究者,同时也是她的丈夫的 Albert Cardona 说:“如果可以得到大脑神经元的接线图,对于了解中枢神经系统如何工作是很好的起点。”

Zlatic 和 Cardona 领导着分布在世界各地的数十个组织中的两个,这些组织正在为模型生物(model organisms)的大脑生成详细的接线图。在过去几年里,用于切割大脑和跟踪其关系的新工具和技术已经取得进展。并且所得到的神经网络图令人惊喜——例如,大脑可以以多种方式使用一个网络来创建相同的行为。

但是,即使想了解最简单的回路(比 Zlatic 的幼虫更小数量级),也会面临许多挑战。不同动物的神经回路的布局和功能都不同。这些系统非常冗余,难以说某一回路具有某一功能。此外,单独的线路也不能完全解释这些回路如何产生行为; 必须考虑其他因素,例如神经化学物质。

科学家们开始检测可能在更复杂的大脑中运行的简单回路的模式。“这就是我们希望得到的,”马萨诸塞州波士顿哈佛医学院神经科学家 Willie Tobin 说:“发现一般原则可以帮助我们理解更大的系统。”

大脑回路的训练:被切为两半的大脑不尽相同,但功能不变

科学家拥有完整回路图的最简单的大脑是线虫蠕虫(Caenorhabditis elegans), 其仅仅拥有300个神经元。它的连接体(connectome),也就是每一个神经连接的地图,在20世纪80年代绘制完成了。但是仔细观察那些指导行动的连接是困难的。一些神经科学家对蠕虫大脑与更大的脑结构拥有相同的工作方式表示怀疑。

这就是为什么许多像Zlatic一样的人,转向依靠生物实验室的另一个无脊椎动物——果蝇进行研究。果蝇幼虫足够复杂,可以展示出一些有趣的行为,但是因为它的神经元足够少,使得绘制果蝇大脑回路项目成为可行。此外,Zlatic和她的同事还有一套技术,如光遗传学,其中光敏蛋白质可用于控制或监测神经元的活动。

Zlatic和Cardona正在开发用于收集果蝇幼虫大脑高分辨率横截面图像的方法,并且将从段到节地追踪所有连接的艰巨过程自动化。然后,通过在”地图”上,匹配行为和活动模式,团队可以找出哪些回路影响了哪些行为。

例如,一个难题就是大脑在两个竞争行为之间如何选择。去年, Cardona, Zlatic和他们的团队跟踪回路,让蛆在面对一阵烦人的空气,在缩头或弯曲身体之间选择(同一动物,吹气两次,可能会先选择弯曲身体,然后第二次选择缩头)。团队确定了他们认为哪些神经元会对空气产生反应,并使用光遗传学依次激活它们。它们可以观察在缩头时的回路情况。然后,他们构建了一种计算模型,可以预测幼虫在某些特定情形下的反应。

许多实验室也在研究成年果蝇连接体。因为整个大脑有135,000个神经元,太大,所以不能整体重建,科学家正在寻找较小的神经系统,在那里他们可以一起学习回路和活动。

例如,Tobin 对果蝇的大脑的一系列研究有助于处理气味,即一种称为嗅球(olfactory glomerulus)的电路。果蝇的大脑具有50个这样的小球,每个在一个不超过20微米的区域中承载几十个神经元,并且每个分开一半以从果蝇的左右“天线”接收信号。Tobin 5月的最新研究中,他和他的团队 研究了这样的一个小球,细细切片并用电子显微镜重建了所有50个特定类型神经元的布局,其中包括与之连接的其他神经元,以及连接的强度。比较被切开的两个部分,研究者发现即使回路的功能不变,细胞数量和连接也有一些明显的差异。

Tobin 表示,电路的布线在补偿导致两半看起来略有不同大脑组成的变化。他表示,这种稳定性很可能是所有大脑的一般特征,但可能会在某些障碍中丧失。 “疾病其实就是系统无法补偿的稳定性的丢失,”他说。

Engert 正着眼于研究幼虫斑马鱼(Danio rerio)的大脑,其中有大约10万个神经元。今年5月,他的团队发表了一篇问,重构了幼虫斑马鱼大脑,并用它来研究类似神经元在开发过程中扩展和连接的路径。

一些小组正在为小鼠脑区域建立电路图。例如,2014年,由Sebastian Seung领导的团队,现在在新泽西州的普林斯顿大学,发表了一个神经元地图及其与小鼠视网膜中的联系。通过观察神经元的形状和它们的连接,他们发现,星形神经元比拥有较少分支的神经元有更多的突触。

需要机器学习,来将研究过程自动化

如果神经回路可以带来什么教训,那就是没有什么网络会因为太小而不能产生惊喜,或是会阻碍人们想要理解它的努力。 30年来,马萨诸塞州沃尔瑟姆的布兰迪斯大学的神经科学家Eve Marder一直致力于在蟹胃系统中建立包含30个神经元的简单回路。它的角色很简单,并且几十年前,接线图已经存在了。尽管如此,该回路还是隐藏了许多秘密。例如,Marder已经证明,尽管个别动物的回路可能看起来相同并产生相同的输出,但它们的信号强度和突触的电导差异很大。今天,她专注于研究回路如何随着情况的改变保持自己的身份,如离子通道和受体等被替换等。她问道:“在维护回路的同时,您应该采用什么规则来替换所有组件?”她还补充说,所有这些挑战也将适用于较大的网络。 “迄今为止,我们远远不知道如何从动物行为和完成复杂任务中分别得到的信息有何区别。”

科学家正在为这一比较做准备。这些努力需要几种新的收集和分析数据的方法,这些方法在过去五年左右就已经成熟了。 Zlatic的小组与Janelia的其他人合作,以调整其光学工具。为了分析这些幼虫的视频,Zlatic招募了专门从事机器学习的统计学家和计算机科学家,以设计分类幼虫运动的方法。

在卡多纳的实验室,科学家通过绘制幼虫大脑,编制数千张用电子显微镜拍摄的脑切片图像,并精心追踪神经元之间的连接。这张地图构成了其余工作的起点 :绘制回路、操纵回路,观察行为。在第175页,该团队使用这个协议来揭示果蝇大脑中称为蘑菇体的回路如何通过将奖励或惩罚的感觉与感官信息相关联来控制学习和记忆。

「Nature」破译大脑:追踪15000个神经元绘制最详细神经回路图

但是卡多纳说,在该领域,绘制过程现在遇到一个很大的障碍。对果蝇嗅觉探测回路中160个神经元的重构要花掉卡多纳团队超过1100个小时的工作时间。有人从此前的研究中进行推测,要绘制一只成年果蝇完整的脑图,需要一个人花上数百年才能完成。这一过程的自动化将有所帮助,但算法可以添加虚假连接或完全错过一些。

那些研究较大回路的人常常会把问题分解 :首先做一个关于细胞类型的列表集合。华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所的小鼠脑连接图谱正是采用这种方法。在2014年发表的研究中,该小组在小鼠视皮层单独定义了49种细胞,细胞的大小和形状、它们的激活速度以及它们表达的基因多少都不一样。该团队预计整个大脑的细胞数量将会更多。艾伦研究所的这一项目的研究员Hongkui Zeng说:“我猜,可能高达10,000种神经元类型。”

当被要求绘制整个小鼠大脑地图所需的数据量时, Zeng笑了起来。然后她说:“这将是天文数字。我甚至不知道是否有一个字来形容这个。它超过了PB级。百万亿的百万亿字节。”

如此庞大的数据量只能由一个动物的连接体产生,但是许多科学家希望得到一个可以产生数据并进行比较的点。 Tobin 认为,不同动物的脑部神经元的接线图可能显示也许是功能上有趣的差异,这很重要。他说,到目前为止,这是一个 n = 1的领域。

许多神经科学家的愿望清单的另一个优先事项是同时记录许多神经元。这样一来,研究人员就可以刺激一个神经元,看看其他的哪一个被激活了,然后得到一个动态画面,展示哪一个链条的命名导致了行为的发生。这将会是“更复杂的大脑的下一个巨大挑战”,zeng说。

即使在Marder支持的30个细胞的回路中,这仍然是假设的。 Marder可以一次性地将电极粘到少数细胞中。研究小型回路的其他人使用各种技术来提供一个代理,以找到哪个单元正在被激活,又是何时被激活。例如,研究人员可以测量从被激活的神经元中释放的钙,或者因为细胞膜上电压的变化带带来的荧光。但这就像通过微风的强度来衡量汽车的速度:代理的速度不如激活本身那么快。 “现在你可以从所有的神经元记录,但有点慢,每秒两次,”Zlatic说, “事情就在你来不及记录的时候发生了。”


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