Science最详细的人脑3D地图，GPT-4参数仅相当于人类0.2%

人脑大小的芝麻粒，突触规模相当于GPT-4！

谷歌和哈佛联合起来，对局部人脑进行纳米建模，论文已经发表在Science上。

它是迄今为止最大、最详细的人脑复制品，首次在大脑中显示突触网。

这一名叫H01的重建，以超高分辨率，已经揭示了一些以前从未见过的关于人脑的细节。

哈佛大学Lichtman教授介绍，在此之前，没有人真正看到过如此复杂的突触网络。

这种建模结果，也有助于更深入地了解大脑的运作模式，激发人类对大脑神经和疾病的进一步研究。

此外，值得注意的是，这项研究涉及到1立方毫米的人脑，产生的是但是信息量高达1.4PB。

因此，根据人脑体积计算，如果要对整个人脑进行建模，就会产生1.76ZB的数据，而目前最先进的超级计算机存储容量也只有7%ZB，不到单个人脑单一状态的0.4%。

即使把整个网络上的所有服务器都拿来，也只能储存9个人的大脑。

同时，1立方毫米体积的大脑含有57,000细胞和1.5亿突触。，而且整个大脑中的突触数量更是高达千万亿。

相比之下，GPT-4参数仅为2万亿元，仅为人脑突触数的0.2%，按此计算放入大脑，即芝麻粒的大小。

有些人对此表示感慨，AGI恐怕又要无望了…

01 纳米建模带来了新的发现

具体来说，研究人员从45岁的女性癫痫病患者那里得到了颞叶皮层组织样本，大小约1立方毫米。

经过快速固定、染色和树脂包埋后，研究人员用自动收集装置的超薄切片机切割成厚度约33.9纳米的5019个连续切片。

随后，研究人员使用多个扫描电子显微镜对每个切片进行4个×4纳米/像素分辨率显像，获得原始二维图像数据，总大小约1.4PB。

下一步，研究人员使用计算工具对这些二维图像进行拼接、对齐，并重建三维体素数据。

之后，他们使用了一种叫做flood的方法。-filling networks（FFN）机器学习算法将整个体素分割成神经元形态，通过人工校正错误分割，最终重建了大脑中所有细胞、突触和血管结构的3D形态。

FFN由Google 2018年，Brains提出，基本思想是从一个种子点开始，递归地扩展到周围，标记所有与之相连的体素，直到遇到背景或其他物体的边界。

与此同时，他们还利用机器学习模型自动识别突触位置，并区分兴奋和抑制突触。

最终，该团队成功地在纳米水平上建造了一立方毫米的大脑，包括超过50,000个细胞核1.5亿突触，以及其间230毫米的极细静脉。

通过对重建细胞形态的分析，研究人员对大脑区域的主要细胞类型构成进行了鉴定。

共有57180个细胞中，有49080个是神经元和胶质细胞，其中8100个与血管有关，但是在神经元和胶质细胞中，后者的数量是前者的两倍左右。

在神经元中，65.5%是有突突的锥状神经元，29.1%是光滑突起的中间神经元；然而，在胶质细胞中，少突胶质细胞更为常见。

研究人员开发了自动识别突触位置及其类型的机器学习模型(兴奋/抑制)。

这个大脑区域有1.5亿次左右的突触，其中1.11亿次是兴奋性突触。此外，3900万只是抑制性突触，不同皮层的兴奋和抑制性突触分布密度也有一些差异。

通过对每个神经元接受的突触输入的分析，研究人员发现，大多数轴突和目标细胞(96.49%)只形成突触，但但是，少数轴突可以形成多个突触(最多可达50个以上)并与目标细胞建立特别强的联系。

进一步分析发现，这种多突触的“强连接”在兴奋性和抑制性轴突中普遍存在，其数量明显高于随机形成突触时的预期水平。

研究人员推断，在大量随机弱连接中，特定的少数轴突可以通过故意形成的强连接来控制神经元的活动。

另外，研究人员还对一类进行了详细的分析。特殊的锥体神经元。

这两种镜像对称的方向是“三角形”和“指南针”细胞基底树突，提醒它们具有不同的功能。

然而，作者还声明，虽然在光学显微镜下没有发现明显的病理变化，但不能排除长期癫痫或药物治疗可能对皮层组织连接或结构产生更微妙的影响。

换言之，这种模式的普遍性可能还有待进一步验证，但至少揭开了另一个突触网络的面具。

研究小组开放了所有原始数据、建模结果和相关工具，以便人们能够利用建模结果发现更多的奥秘。

02 所有数据工具都是开源的

作者建立了Neuroglancer在线互动数据可视化平台，其他研究人员可以使用它来探索不同规模的H01数据。

其中包括所有原始电镜切片图像，神经元形态的分割结果，突触位置和兴奋/抑制，以及不同类型的细胞标记，客户可以灵活观察数据集的微观和宏观结构。

除数据外，作者还开源了CREST神经元间突触连接探索工具，以及与Neuroglancer深度融合的在线合作校准平台CAVE，帮助其他研究者从各个角度探索和分析这一前所未有的大规模人脑数据。

作者表示，这一成果的开源将为学术界提供研究人脑结构和功能的物理基础，并为疾病研究提供参考。

虽然H01带来了前所未有的详细信息，但与整个人脑相比，这些信息只是这个巨大器官的冰山一角。未来，类似的纳米尺度和3D重建将在更多的区域和层面进行。作者还呼吁学术界共同努力。

03 One More Thing

H01系列数据的发布恰逢Google。 Connectomics团队成立10周年，Research。

在此之前，该团队还发布了果蝇大脑图谱，其中包括25000个神经元和数百万个连接在一起。

去年，该团队还宣布与多所大学合作，花费3300万美元，绘制了小鼠大脑中海马论的地图。这个项目也是团队下一步的重点。

此次发布的H01图谱最早于2021年6月发布了数据和预印论文。经过对突触特征的优化和更深入的分析，今天正式版的论文出现了。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858

参考链接：

[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

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