blingbling，愛丁堡大學用AI點亮大腦10億突觸星圖

選自singularityhub，作者：Shelly Fan，機器之心編譯，參與：張倩、王淑婷。

如果能夠把大腦中的突觸以地圖的形式畫下來並標註，那將是一件多麼壯觀的事情！近日，來自英國愛丁堡大學一個研究團隊用小鼠做實驗，畫出了小鼠大腦的突觸圖，並使用技術點亮了這些突觸，使得其看起來像星夜一樣漂亮！

象一幅包含整個銀河系中每一顆星星的地圖。這個地圖非常詳細，它展示了每一顆星星的樣子、材質，以及它如何通過宇宙物理定律和另一顆星星產生聯繫。

儘管我們目前沒有此類天體圖，但上周 Neuron 上發表了一項重要研究，展示了大腦的「天體圖」。

假設每個神經元是一個銀河系，那麼突觸就是其中的星星。在一項重要技術突破中，來自英國愛丁堡大學的團隊首次構建了小鼠大腦中包含每一個突觸的詳細地圖。

該團隊使用基因改造過的小鼠，使小鼠大腦中的每一個突觸在熒光燈下被點亮，像星夜一樣。與星星之間的差異類似，該團隊發現突觸之間的差別也很大，不過脈衝的模式可能支持記憶和思考。

「人腦中的突觸比銀河系中的星星數量還多。大腦是我們已知最複雜的物體，在這種層面上理解突觸之間的聯繫是揭開大腦神秘面紗的關鍵一步。」主要作者、臨床腦科學中心（Center for Clinical Brain Sciences）的 Dr. Seth Grant 說道。

該詳細地圖揭示了大腦活動的基本法則。在機器學習的幫助下，該團隊把大腦中的大約 10 億個突觸劃分為 37 個子類別。當神經元集合收到電子信息，如試圖在多個問題解決方案中選擇一個時，不同神經元中的某種突觸子類別全都發光。

也就是說：突觸是分類別的。每種類型可能控制一種想法、決策或記憶。這引發了神經科學界人士在推特上的熱烈討論。明尼蘇達大學的 Ben Saunders 博士評論道：「哇哦。」

神經遺傳學家 Kevin Mitchell 博士發推寫道，這是「一篇非常棒的論文，介紹了小鼠大腦中突觸子類別的多樣性和分布。」它「強調了這一事實：突觸是神經系統中關鍵的計算元素。」

神經連接組（Connectome）連接

該團隊的興趣是構建「突觸組」（synaptome）——小鼠大腦中突觸的首個完整分類，這來源於更大的項目：連接組。

簡而言之，連接組是大腦中所有的神經元連接。Sebastian Seung 博士在 TED 演講中宣講，連接組是你的生物學基礎——你的記憶、個性以及你如何思考和推理。捕獲你的連接組，某一天科學家也許能夠重建一個你——這就是所謂的全腦模擬。

既然連接組只描述了神經元如何在功能上相互交流，那它在大腦的什麼地方被物理編碼呢？

突觸。神經科學家早就知道突觸利用化學物質和電流在神經元之間傳遞信息。也有跡象表明，突觸的蛋白質種類差異巨大，但一直以來這種差異大多被忽略。直到最近，大多數科學家開始認為，實際計算髮生在神經元體，也就是神經元的球狀部分，神經元的分支從該部分伸出。

研究人員解釋說，到目前為止，還沒有一種方法可以觀察整個大腦突觸的形態和功能。而我們一直致力於在小範圍內繪製這些關鍵連接點。

「突觸組圖可以用來詢問 [不同的] 突觸空間分布是否與連接組結構有關。」研究小組推斷。

如果是這樣的話，未來的大腦模擬器可能最終可以抓住一些固態的東西。

突觸圖（SYNMAP）

為了構建小鼠的突觸組，研究者們開發了一個通道並將其稱之為「突觸圖」。他們從基因改造後的小鼠入手，這些小鼠的突觸發出不同顏色的光。每個突觸用不同的蛋白質填充，PSD-95 和 SAP102 是其中最主要的兩種蛋白。研究者將發光的蛋白質添加到這些突觸中，充當「火炬」照亮大腦中的每一個突觸。

該團隊首先在熒光燈下對一隻有發光突觸的老鼠進行生物工程處理。

接下來，他們費力地將大腦切成薄片，使用顯微鏡捕捉不同大腦區域中的突觸圖像並將圖像拼到一起。

對於未經訓練的眼睛來說，突觸的圖像看起來像一幅密集的星圖。對每個突觸進行分類超出了人類研究者的能力範圍（及時間投入上限），因此該團隊利用新的機器學習分類技術開發了一種新的演算法，可以在無人監督的條件下自動分析這些數據（超過 10TB）。

一個物理連接組

實驗伊始，該團隊就被發光突觸構成的「精美圖案」打動了。一種被標記的蛋白質——PSD-95——似乎遊離在大腦偏外層的部分，這裡負責更高級的認知功能。儘管圖案有重疊的部分，但其它發光蛋白質都分布在大腦偏內側的區域。

大腦中顯示兩種發光突觸蛋白（PSD-95 和 SAP102）的顯微圖像。

研究人員解釋說，經過近距離觀察，他們發現這兩種發光的蛋白質代表不同類別的突觸。大腦的每個區域都有一種獨特的「突觸組標記」。就像人的指紋在形態和大小方面存在差異，不同的大腦區域包含的突觸在蛋白質、大小、數目等方面也不同。

該團隊利用內部開發的機器學習演算法將突觸分成了 37 個子類別。值得注意的是，與高級推理及思考能力相關的大腦區域也包含最多樣的突觸群，但「爬行動物腦區」（如腦幹）的突觸子類別更加一致。

顯示每個區域中最常見突觸子類別的大腦橫截面圖。每種顏色代表不同的突觸子類別。「Box 4」區域是海馬體。

為什麼？

為了觀察突觸多樣性是否有助於信息處理，研究小組使用計算機模擬來觀察突觸如何對海馬體中常見的電流模式做出反應，海馬體是大腦中呈海馬形狀的區域，對學習和記憶至關重要。海馬體是突觸子類別表現出顯著多樣性的區域之一，每個子類別都以驚人的方式分布在整個大腦結構中。

值得注意的是，每種類型的電流信息處理都轉換成了獨特的突觸組圖——改變輸入，等於改變突觸組。

這表明大腦可以利用同一區域處理多個電流信息，因為該區域具有不同的突觸組。

研究小組發現，當他們使用老鼠記錄的電流模式在三種獎勵中進行選擇時結果相似。當選擇正確或錯誤時，不同的突觸組會發光。就像進入內部思維的地圖一樣，突觸組繪製了一幅生動的圖像，展示了老鼠做出選擇時的思維。

每種行為都會激活一個特定的突觸組。每一個突觸組都像一個思維過程的獨特指紋。

突觸組改編

就像計算機代碼一樣，突觸組似乎是計算輸出的基礎——決策或思想。那麼如果代碼被搞砸了怎麼辦？

精神疾病通常有影響突觸蛋白質的遺傳原因。研究小組使用表現出類似精神分裂症或孤獨症癥狀的老鼠，繪製了它們的突觸組圖，結果發現大腦中各種突觸子類別的結構和連接方式發生了巨大的變化。

例如，響應於某些正常的大腦電流模式，一些突觸圖只是微弱地出現，而在突變的小鼠大腦中，一些突觸組圖變得異常強大。

突變可以改變突觸組，還可能導致精神失常。

研究人員得出結論：某些精神疾病似乎「改編」了突觸組。因此，事實上某些更強或新的突觸組圖可能是精神分裂症患者產生錯覺和幻覺的原因。

所以你是你的突觸組繪製出來的那樣嗎？

也許吧。你的本質——記憶、思維模式——似乎被蝕刻到了不同的突觸是如何響應輸入而激活的。就像記憶和決策的指紋一樣，可以通過「讀取」突觸組來解讀思維。

但是正如研究人員所說，這項研究只是開始。隨著這篇論文的發表，該團隊啟動了一個突觸組探索工具，幫助神經科學家進一步分析突觸和人體之間的複雜聯繫。

Grant 說：「這張地圖開闢了大量新的研究途徑，應該會改變我們對反常行為和腦部疾病的理解。」

論文：Architecture of the Mouse Brain Synaptome

論文鏈接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(18)30581-6

圖文摘要：突觸在大腦中數量龐大，且包含複雜的蛋白質組。我們開發了基因標記、成像方法來檢測小鼠大腦各個區域的單個興奮性突觸中的突觸蛋白，並從十億個突觸的分子和形態特徵中得出突觸分類表。每個突觸子類別顯示了一種獨特的解剖分布，而每個大腦區域顯示了一種獨特的突觸子類別標記。全腦突觸組圖揭示了從樹突到整個系統層次的空間結構和以前未知的解剖特徵。線路突觸組圖顯示了突觸多樣性和結構、功能連接組之間的對應關係。神經活動的行為相關模式觸發了對突觸組圖結構敏感的時空突觸後反應。控制高級認知功能的區域包含最豐富的突觸多樣性，而導致認知紊亂的突變又重組了突觸組圖。突觸組技術和資源在正常和患病大腦的研究中有著廣泛的應用。

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