大脑如何连接：全新的高分辨率地图[视频]

该图像显示了来自鼠标大脑的单个区域。一层感觉皮层（右侧非常浓的黄色）中的神经元被绿色荧光标记，以追踪这些细胞在大脑中产生的所有途径。当这些轴突到达其皮质靶标时，它们形成跨越皮质各层的突触，并具有与信息路由的方向相关的不同模式。

为了绘制大脑中数百万条神经通路和连接的图谱，艾伦研究所的研究人员迈出了重要的一步，揭示了小鼠大脑接线图的新高分辨率视图。他们的研究于2019年10月30日发表在《自然》（Nature）杂志上，追踪了大脑区域之间成千上万的联系，为研究人员更好地了解脑电路在诸如阿尔茨海默氏病和精神分裂症等疾病中的基础奠定了基础。

大约一千个新实验所产生的可公开获得的数据集，代表了迄今为止哺乳动物大脑中最详细的连接图，描绘了丘脑和皮层内部和之间的神经连线，丘脑和皮层是负责更高水平功能的哺乳动物大脑的最外层例如记忆力，决策能力和了解我们周围的世界。

研究人员对数据进行筛选，发现了由这两个结构组成的不同区域之间潜在的布线“组织结构图”，显示了连接的定义顺序，这是使我们的大脑tick动的基础。

这些连接是神经元相互交流的主要方式。大脑中复杂而复杂的网络，它们的不同途径和子系统，可以处理我们看到的一切，我们的运动，记忆和感觉。艾伦研究所（Allen Institute）的书，也是该研究的资深作者。“了解大脑的连通性对于理解大脑的工作原理至关重要。”

大脑测量师

这项研究描述了Allen小鼠脑部连接图集的高分辨率扩展，该图集是公开可用的资源，可以中等（或中尺度）分辨率捕获鼠标的全脑布线图及其“连接体”。该数据集的原始迭代于2014年首次亮相，它捕获了大脑区域之间的联系。为了更详细地了解哺乳动物的大脑是如何连接的，研究人员研究了特定类别的神经元之间的联系，这些神经元涵盖了大脑的两个主要部分，皮层和丘脑。该小组的实验依赖于一种经过特殊修饰的病毒，该病毒可以追踪神经元的路径，并以发光的颜色点亮大脑的信息路径。

如果第一次迭代捕获了大脑运输系统中等效的铁轨，则此新扩展会添加从一个点到另一个点的特定路线-红线和蓝线的神经版本。新获取的数据集捕获丘脑和皮层中神经元之间的连接，并使用特殊标签点亮居住在皮层不同层中的五种不同类型的神经元。老鼠的大脑大约有8500万个神经元，它们构成大约1000亿个连接或突触。尚无人绘制哺乳动物大脑完整的逐个突触连接图，但捕获不同类别细胞建立的连接后，研究人员可以发现有关接线图组织方式的新信息。

“这是来自艾伦脑科学研究所的另一项具有里程碑意义的巡回研究，该研究解决了小鼠大脑组织的基本问题，”华盛顿大学学院的校友神经科学教授David Van Essen博士说。圣路易斯的医学博士，艾伦脑科学研究所的科学顾问。“该团队已经获取，分析并自由共享了大量高质量的解剖学连接性数据，从而为哺乳动物的大脑布线提供了迄今为止最广泛的'meso-connectome'描述。”

在阿尔茨海默氏病，帕金森氏病和其他几种脑部疾病和失调中，人们发现大脑的连接发生了变化。负责连通性研究的艾伦脑科学研究所神经解剖学副主任朱莉·哈里斯（Julie Harris）博士目前正在领导一项工作，以探索类似的阿尔茨海默氏症小鼠模型中的连接图，以更好地了解接线图—及其基础组织—可能会以这种普遍的痴呆形式发生变化。

在大脑的联系中寻找逻辑

哈里斯说：“这些数据产生了很大的联系，乍一看似乎一切都与一切联系在一起。”哈里斯说，他与《自然》杂志的主要作者以及斯蒂芬·米哈拉斯（Stefan Mihalas）博士一样。 ，艾伦脑科学研究所副研究员。“对我们来说，最大的问题是，您如何理解这些模式？它背后有逻辑吗？”

研究人员发现，使用计算方法，可以将皮质和丘脑的不同部分映射到一个层次结构中，就像公司的组织结构图一样。大脑皮层中专门用于通过我们的感官收集信息的部分（例如视觉和气味）位于底部梯级，而处理更复杂的输入（例如调用由熟悉的气味引起的记忆）的区域位于顶部。连接在大脑的组织结构图中上下流动，但是向上移动的关系与向下移动的关系不同。他们还发现，并非所有连接都遵守这些分级法则。有迹象表明，人类皮层使用相同的组织系统，并且由范·埃森（Van Essen）领导的先前研究表明，灵长类动物大脑的视觉区域具有相似的层次结构。

“这不是一个简单的层次结构，就像一个单步的升序顺序。有许多不遵循严格的层次结构规则的连接。但这告诉我们有关哺乳动物大脑这些部分中可能的信息流的一些信息，”艾伦脑科学研究所首席科学家兼总裁，该研究的合著者之一克里斯托夫·科赫博士说。“下一步将是直接观察神经元如何通过其电活动传递信息，以确认这种模式很重要。”

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参考：Julie A. Harris，Stefan Mihalas，Karla E. Hirokawa，Jennifer D. Whitesell，Hannah Choi，Amy Bernard，Phillip Bohn，Shiella Caldejon，Linzy Casal，Andrew Cho，Aaron Feiner，David的“皮质和丘脑连通性的分层组织” Feng，Nathalie Gaudreault，Charles R. Gerfen，Nile Graddis，Peter A.Groblewski，Alex M.Henry，Anh Ho，Robert Howard，Joseph E.Knox，Leonard Kuan，Xiuli Kuang，Jerome Lecoq，Phil Lesnar，Yaoyao Li，Jennifer Luviano，Stephen McConoughey，Marty T.Mortrud，Maitham Naeemi，Lydia Ng，Seung Wook Oh，Benjamin Ouellette，Elise Shen，Staci A.Sorensen，Wayne Wakeman，Quanxin Wang，Yun Wang，Ali Williford，John W.Phillips，Allan R琼斯，克里斯托夫·科赫和曾洪ku，2019年10月30日，自然。
10.1038 / s41586-019-1716-z

本出版物中描述的研究得到了美国国家心理健康研究所的奖项编号U19MH114830，美国国家心理健康和恩妮斯研究所的奖项编号U01MH105982，美国儿童健康与人类发展研究所的肯尼迪·施莱弗学院的奖项以及国家研究所的奖项R01AG047589的支持美国国立卫生研究院所有关于衰老的文章。内容仅由作者承担，并不一定代表美国国立卫生研究院的正式观点。