“蓝脑”项目的最新突破:单细胞分辨率的大脑模型

2019-09-02 09:21 | 达峰网

 

洛桑联邦理工大学的“蓝脑项目”是瑞士的一个大脑研究项目。

神经元之间突触连接的结构决定了它们的活动和功能。到目前为止,对神经连接体全面快照的测量只能在比大头针还小的体积内完成。而在体积较大的情况下,在由极细极长的纤维束形成的远程连接中,科学家只能对少数的单个神经元进行研究,得不到完整的图景;或者在宏观尺度上进行研究,得到平均特征的缩小版视图,达不到单细胞的分辨率。

而在最近发表于《自然·通讯》杂志上的一篇论文中,瑞士洛桑联邦理工大学的“蓝脑”研究人员指出,我们可以将以上两种观点结合起来。通过整合最近的两个数据集:Allen Mouse Brain Connectivity Atlas和Janelia MouseLight,研究人员确定了一些关键规则,规定了哪些神经元可以在大脑皮层内形成远程连接。由于两个数据集在大脑皮层整体和细胞分辨率方面可以相互补充,研究人员终于得到了单细胞分辨率的大脑模型。

基于之前对局部大脑神经回路建模的工作,研究人员将大脑皮层连接的原则进行了参数化,并生成了与之兼容的统计神经连接体实例。当探究结果的结构时,他们发现了一些有趣的东西:在单细胞分辨率下,以前只能在相邻神经元之间看到的复杂结构,现在也连接着大脑不同区域两端的神经元。这与之前在人类大脑中发现的自相似性规则类似,研究人员预测自相似性会一直延伸到单个神经元的水平。

首席研究员Michael Reimann说:“这让我重新思考了我们之前对这些远程连接的看法。它们被描述为连接或同步整个大脑区域的电缆。但也许还有更多的针对单个神经元的远程连接。这是我们从一些相对粗粒度的原则中学到的。我希望通过改进方法能在未来发现更多这样的连接。”

Michael Reimann解释说:“我们使用之前发表的神经回路构建路径的改进版本,完成了这样一个小鼠大脑皮层神经连接体的初稿。考虑到单个大脑区域的几何结构和细胞组成,我们通过将神经元置于脑-图谱定义的三维空间而非六角形棱镜中改进了这一技术。该组合是以蓝脑项目开放获取的细胞图谱数据为基础的。而进一步的约束来自于其他可公开访问的数据集,到目前为止未知的额外约束可能会进一步限制远程连接。为了开始迭代细化的过程,我们向公众提供了模型和数据。

计算机模拟方法允许科学家们将目标体积缩小几个数量级,直到具有亚细胞分辨率的单个神经元形成的神经支配,这在实验方法中是不可能的。未来,这将允许模拟单个神经元、整个区域或整个大脑皮层的电活动。

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