人腦大小的芝麻粒，突觸規(guī)模相當(dāng)于GPT-4！

谷歌和哈佛聯(lián)合起來，對(duì)局部人腦進(jìn)行納米建模，論文已經(jīng)發(fā)表在Science上。

它是迄今為止最大、最詳細(xì)的人腦復(fù)制品，首次在大腦中顯示突觸網(wǎng)。

這一名叫H01的重建，以超高分辨率，已經(jīng)揭示了一些以前從未見過的關(guān)于人腦的細(xì)節(jié)。

哈佛大學(xué)Lichtman教授介紹，在此之前，沒有人真正看到過如此復(fù)雜的突觸網(wǎng)絡(luò)。

這種建模結(jié)果，也有助于更深入地了解大腦的運(yùn)作模式，激發(fā)人類對(duì)大腦神經(jīng)和疾病的進(jìn)一步研究。

此外，值得注意的是，這項(xiàng)研究涉及到1立方毫米的人腦，產(chǎn)生的是但是信息量高達(dá)1.4PB。

因此，根據(jù)人腦體積計(jì)算，如果要對(duì)整個(gè)人腦進(jìn)行建模，就會(huì)產(chǎn)生1.76ZB的數(shù)據(jù)，而目前最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量也只有7%ZB，不到單個(gè)人腦單一狀態(tài)的0.4%。

即使把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的所有服務(wù)器都拿來，也只能儲(chǔ)存9個(gè)人的大腦。

同時(shí)，1立方毫米體積的大腦含有57,000細(xì)胞和1.5億突觸。，而且整個(gè)大腦中的突觸數(shù)量更是高達(dá)千萬億。

相比之下，GPT-4參數(shù)僅為2萬億元，僅為人腦突觸數(shù)的0.2%，按此計(jì)算放入大腦，即芝麻粒的大小。

有些人對(duì)此表示感慨，AGI恐怕又要無望了…

01 納米建模帶來了新的發(fā)現(xiàn)

具體來說，研究人員從45歲的女性癲癇病患者那里得到了顳葉皮層組織樣本，大小約1立方毫米。

經(jīng)過快速固定、染色和樹脂包埋后，研究人員用自動(dòng)收集裝置的超薄切片機(jī)切割成厚度約33.9納米的5019個(gè)連續(xù)切片。

隨后，研究人員使用多個(gè)掃描電子顯微鏡對(duì)每個(gè)切片進(jìn)行4個(gè)×4納米/像素分辨率顯像，獲得原始二維圖像數(shù)據(jù)，總大小約1.4PB。

下一步，研究人員使用計(jì)算工具對(duì)這些二維圖像進(jìn)行拼接、對(duì)齊，并重建三維體素?cái)?shù)據(jù)。

之后，他們使用了一種叫做flood的方法。-filling networks（FFN）機(jī)器學(xué)習(xí)算法將整個(gè)體素分割成神經(jīng)元形態(tài)，通過人工校正錯(cuò)誤分割，最終重建了大腦中所有細(xì)胞、突觸和血管結(jié)構(gòu)的3D形態(tài)。

FFN由Google 2018年，Brains提出，基本思想是從一個(gè)種子點(diǎn)開始，遞歸地?cái)U(kuò)展到周圍，標(biāo)記所有與之相連的體素，直到遇到背景或其他物體的邊界。

與此同時(shí)，他們還利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型自動(dòng)識(shí)別突觸位置，并區(qū)分興奮和抑制突觸。

最終，該團(tuán)隊(duì)成功地在納米水平上建造了一立方毫米的大腦，包括超過50,000個(gè)細(xì)胞核1.5億突觸，以及其間230毫米的極細(xì)靜脈。

通過對(duì)重建細(xì)胞形態(tài)的分析，研究人員對(duì)大腦區(qū)域的主要細(xì)胞類型構(gòu)成進(jìn)行了鑒定。

共有57180個(gè)細(xì)胞中，有49080個(gè)是神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞，其中8100個(gè)與血管有關(guān)，但是在神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中，后者的數(shù)量是前者的兩倍左右。

在神經(jīng)元中，65.5%是有突突的錐狀神經(jīng)元，29.1%是光滑突起的中間神經(jīng)元；然而，在膠質(zhì)細(xì)胞中，少突膠質(zhì)細(xì)胞更為常見。

研究人員開發(fā)了自動(dòng)識(shí)別突觸位置及其類型的機(jī)器學(xué)習(xí)模型(興奮/抑制)。

這個(gè)大腦區(qū)域有1.5億次左右的突觸，其中1.11億次是興奮性突觸。此外，3900萬只是抑制性突觸，不同皮層的興奮和抑制性突觸分布密度也有一些差異。

通過對(duì)每個(gè)神經(jīng)元接受的突觸輸入的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)軸突和目標(biāo)細(xì)胞(96.49%)只形成突觸，但但是，少數(shù)軸突可以形成多個(gè)突觸(最多可達(dá)50個(gè)以上)并與目標(biāo)細(xì)胞建立特別強(qiáng)的聯(lián)系。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種多突觸的“強(qiáng)連接”在興奮性和抑制性軸突中普遍存在，其數(shù)量明顯高于隨機(jī)形成突觸時(shí)的預(yù)期水平。

研究人員推斷，在大量隨機(jī)弱連接中，特定的少數(shù)軸突可以通過故意形成的強(qiáng)連接來控制神經(jīng)元的活動(dòng)。

另外，研究人員還對(duì)一類進(jìn)行了詳細(xì)的分析。特殊的錐體神經(jīng)元。

這兩種鏡像對(duì)稱的方向是“三角形”和“指南針”細(xì)胞基底樹突，提醒它們具有不同的功能。

然而，作者還聲明，雖然在光學(xué)顯微鏡下沒有發(fā)現(xiàn)明顯的病理變化，但不能排除長期癲癇或藥物治療可能對(duì)皮層組織連接或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更微妙的影響。

換言之，這種模式的普遍性可能還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，但至少揭開了另一個(gè)突觸網(wǎng)絡(luò)的面具。

研究小組開放了所有原始數(shù)據(jù)、建模結(jié)果和相關(guān)工具，以便人們能夠利用建模結(jié)果發(fā)現(xiàn)更多的奧秘。

02 所有數(shù)據(jù)工具都是開源的

作者建立了Neuroglancer在線互動(dòng)數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，其他研究人員可以使用它來探索不同規(guī)模的H01數(shù)據(jù)。

其中包括所有原始電鏡切片圖像，神經(jīng)元形態(tài)的分割結(jié)果，突觸位置和興奮/抑制，以及不同類型的細(xì)胞標(biāo)記，客戶可以靈活觀察數(shù)據(jù)集的微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。

除數(shù)據(jù)外，作者還開源了CREST神經(jīng)元間突觸連接探索工具，以及與Neuroglancer深度融合的在線合作校準(zhǔn)平臺(tái)CAVE，幫助其他研究者從各個(gè)角度探索和分析這一前所未有的大規(guī)模人腦數(shù)據(jù)。

作者表示，這一成果的開源將為學(xué)術(shù)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。

雖然H01帶來了前所未有的詳細(xì)信息，但與整個(gè)人腦相比，這些信息只是這個(gè)巨大器官的冰山一角。未來，類似的納米尺度和3D重建將在更多的區(qū)域和層面進(jìn)行。作者還呼吁學(xué)術(shù)界共同努力。

03 One More Thing

H01系列數(shù)據(jù)的發(fā)布恰逢Google。 Connectomics團(tuán)隊(duì)成立10周年，Research。

在此之前，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)布了果蠅大腦圖譜，其中包括25000個(gè)神經(jīng)元和數(shù)百萬個(gè)連接在一起。

去年，該團(tuán)隊(duì)還宣布與多所大學(xué)合作，花費(fèi)3300萬美元，繪制了小鼠大腦中海馬論的地圖。這個(gè)項(xiàng)目也是團(tuán)隊(duì)下一步的重點(diǎn)。

此次發(fā)布的H01圖譜最早于2021年6月發(fā)布了數(shù)據(jù)和預(yù)印論文。經(jīng)過對(duì)突觸特征的優(yōu)化和更深入的分析，今天正式版的論文出現(xiàn)了。

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

本文來自微信微信官方賬號(hào)“量子位”（ID：QbitAI），作者：關(guān)注前沿技術(shù)，授權(quán)發(fā)布36氪。

本文僅代表作者觀點(diǎn)，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖闹凶⒚鱽碓醇白髡呙帧?/p>

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com