一种新的人工智能工具构建了复杂的小鼠大脑地图。
这是前所未有的脑部详细视图。
在一项重大的技术进步中，佛罗里达大学的研究人员创建了一种强大的新计算和人工智能工具，可以生成小鼠大脑的高分辨率三维地图，允许用户从各个角度缩放 – 就像谷歌地球地图一样 – 并窥探为大脑功能提供能量的完整分子集合。
这一新驱动的人工智能工具由国家卫生研究院的研究经费资助，让科学家们更接近全面理解代谢在阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病中的作用。它可能为发现靶向治疗开辟新的可能性。
在今天于《自然代谢》杂志上发表的报告中，由拉蒙·孙（Ramon Sun）博士领导的研究团队详细描述了如何使用佛罗里达大学的HiPerGator超级计算机开发其开创性的MetaVision3D工具。作为原理的证明，他们生成了正常小鼠以及阿尔茨海默病和庞贝病（一种罕见的遗传疾病）的小鼠模型的大脑三维互动地图。孙的实验室已将其数据库和网络服务器公开，以支持越来越多的科学家研究代谢与大脑之间的联系。
孙说：“使用我们的方法，我们可以绘制大脑中成千上万的分子及其在每个大脑区域中的确切位置。这是前所未有的。”孙是高级空间生物分子研究中心的主任，也是佛罗里达大学麦克奈特大脑研究所的创新副主任。他补充说：“如果没有国家卫生研究院的资助，我们无法完成这项工作。这项资助为我们揭示阿尔茨海默病的代谢驱动因素提供了动力，并为预防和治疗这一毁灭性疾病的干预措施铺平了道路。”
在线用户可以探索三维重建中每个组织部分，这种重建揭示了常规二维地图中不可见的微妙复杂性，为细胞代谢 – 受饮食、运动和遗传影响 – 以及疾病机制提供了新的洞见。
孙还说：“在谷歌地球上，我可以放大一个城市，看看房子长什么样，街道长什么样，那里的车是什么样的。这就是我们在这个三维空间中为小鼠大脑提供的分辨率水平，以及它们在疾病期间如何变化。”他同时也是佛罗里达大学医学院生物化学与分子生物学系的副教授，佛罗里达大学健康部的一部分。“你可以探索和检查影响思维、记忆和大脑健康的分子，包括那些与神经退行性疾病相关的分子。你可以绘制所有不同的分子，以及它们在细微的大脑结构中的组织和分布。”
为了实现从二维表示到三维的飞跃，孙将其比作从翻盖手机到智能手机的技术飞跃，他的实验室逐层扫描79个大脑切片，使用高科技成像设备识别和计算诸如脂肪和碳水化合物等分子，这些是大脑功能所需的基本营养物质。
论文的第一作者、博士生玛欣（Xin Ma）说：“然后我们使用人工智能对这些图像进行对齐，并将它们叠加在一起，以重建整个大脑代谢组。”代谢组是为大脑功能提供能量的数千种分子的集合。
作为下一步，孙与佛罗里达大学认知衰老与记忆临床转化研究中心的主任萨拉·伯克（Sara Burke）博士合作，他们绘制了解剖结构，以与分子相关联，并使用数学方法验证准确性在95%到99%之间。
在未来，研究人员可以将绘图工具与现有的MRI成像和遗传分析相结合，朝着开发靶向大脑特定区域的治疗方法的方向努力，与当前可能影响健康大脑部分的治疗方法形成对比。
陈博士，论文的共同通讯作者，也是佛罗里达大学公共卫生与健康职业学院生物统计学系的副教授表示：“对于疾病预防和治疗，我们为生物学家研究开辟了一个新角度。”
