从一个不超过沙粒大小的微小组织样本，科学家们已接近一个曾被认为无法实现的目标：构建大脑部分的完整功能连接图。1979年，著名的分子生物学家弗朗西斯·克里克曾表示，”[创建一个立方毫米大脑组织的精确连接图，以及其所有神经元的放电方式将是]不可能的。”但在过去的七年中，由150多名神经科学家和研究人员组成的全球团队使这一目标更接近现实。
机器智能来自皮层网络（MICrONS）项目建立了迄今为止最详细的哺乳动物大脑连接图。今天，科学家们在《自然》家族期刊的十项研究中发布了这一庞大数据资源的科学发现。该连接图及其数据通过MICrONS探索者免费提供，大小达到1.6宠字节（相当于22年的不间断高清录像），并提供了对大脑功能和视觉系统组织前所未有的洞察。
“在《自然》这期特刊中发布的MICrONS进展是神经科学的一个重大转折点，与人类基因组计划的变革潜力相当，”曾协调这一工作的前IARPA项目经理大卫·A·马科维茨博士表示。
“IARPA在MICrONS项目上的大胆投资打破了先前的技术限制，创造了第一个可以在必要的尺度上研究神经结构与功能关系的平台，以理解智能。这一成就验证了我们聚焦的研究方法，为未来向整个大脑水平的扩大奠定了基础。”
贝勒医学院的科学家们首先利用专门的显微镜记录小鼠视觉皮层一立方毫米部分的脑活动，当时动物正在观看各种电影和YouTube视频。随后，艾伦研究所的研究人员将同一立方毫米的大脑切割成超过25,000层，每层宽度为人类头发的1/400，并使用电子显微镜阵列对每一层进行高分辨率拍摄。最后，普林斯顿大学的另一团队利用人工智能和机器学习将细胞和连接重建为一个3D体积。结合脑活动的记录，最终结果是迄今为止最大的大脑连接图和功能图，包含超过200,000个细胞、四公里的轴突（延伸到其他细胞的分支）和5.23亿个突触（细胞之间的连接点）。
“在那微小的颗粒里存在着一整套结构，就像精致的森林，”电子显微镜连接组学早期创始人之一的高级研究员克莱·里德博士说，他在13年前将这项科学领域带入艾伦研究所。”它具有我们从神经科学的各个部分已知的各种连接规则，在重建过程中，我们可以测试旧理论，并希望发现以前没有人见过的新事物。”
对大脑功能和组织的新视角
研究发现揭示了新的细胞类型、特征、组织和功能原则，以及一种新的对细胞进行分类的方法。其中最令人惊讶的发现是大脑中的一种新的抑制原则。科学家们之前将抑制细胞——那些抑制神经活动的细胞——视为一种简单的力量，以减弱其他细胞的活动。然而，研究人员发现了一种更复杂的沟通层次：抑制细胞的行为并不是随机的；相反，它们对所针对的兴奋细胞具有高度选择性，形成了一个网络范围内的协调与合作系统。一些抑制细胞共同作用，抑制多个兴奋细胞，而其他细胞则更为精确，仅针对特定类型。
“在许多方面，这就是未来，”安德烈亚斯·托利亚斯博士解释道，他是该项目在贝勒医学院和斯坦福大学的主要科学家之一。”MICrONS将作为一个里程碑，在这里我们构建跨越多个分析层次的大脑基础模型，从行为层次到神经活动的表征层次，甚至到分子层次。”
这对科学和医学的意义
理解大脑的形态和功能，以及以前所未有的规模分析神经元之间的详细连接的能力，为研究大脑和智能开辟了新可能。这对阿尔茨海默病、帕金森病、自闭症和涉及神经沟通障碍的精神分裂症等疾病也有重要影响。
“如果你有一个坏掉的收音机，而你有电路图，你就会更容易修复它，”艾伦研究所的助理研究员努诺·达·科斯塔博士说。”我们正在描述一种类似于谷歌地图或这颗沙粒的蓝图。在未来，我们可以用它来比较健康小鼠的大脑接线图与疾病模型中的大脑接线图。”
跨国界的合作
MICrONS项目是来自艾伦研究所、普林斯顿大学、哈佛大学、贝勒医学院、斯坦福大学和许多其他机构的150多名科学家和研究人员的协作努力。
“做这种大型团队规模的科学研究需要很多合作，”艾伦研究所数据与技术副主任福雷斯特·科尔曼博士说。”这要求人们怀有远大的梦想，并同意解决那些并不明显可解的问题，这就是进步发生的方式。”
这一协作的全球努力得到了情报先进研究项目活动（IARPA）和国家卫生研究院的通过创新神经技术推进脑研究®倡议或脑倡议®的支持。
“脑倡议在将来自各个学科的科学家聚集在一起，进行无法孤立完成的复杂和具有挑战性的研究方面发挥了关键作用，”脑倡议®主任约翰·恩盖博士说。”像大脑如何连接这样的基础科学构建块是我们更好理解脑损伤和疾病，拉近治疗和疗法临床应用的基础。”
从一颗沙粒大小的大脑部分绘制神经元的连接、形态和功能的地图不仅是科学奇迹，也是理解思维、情感和意识难以捉摸的起源的一步。1979年弗朗西斯·克里克首次设想的”不可能”任务现在已更接近现实。
更多信息，请参见：
- 尝试不可能：了解大脑语言的为期20年的旅程：https://alleninstitute.org/news/learning-the-language-of-the-brain/
- MiCRONS项目：感官大脑功能和解剖信息的密集重构：https://www.nature.com/immersive/d42859-025-00001-w/index.html
- 来自皮层网络的机器智能（MICrONS）项目：https://www.microns-explorer.org/
