【Science重磅】以纳米级分辨率重建的人类大脑皮层颗粒片段

翻查五月的Science发现一个有意思的项目《A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution》由美国哈佛大学Jeff W. Lichtman 和美国谷歌研究中心 Viren Jain 共同合作

据介绍，充分了解人类大脑是如何工作的机理，需要高分辨率的大脑结构知识储备。

研究人员对一立方毫米的人类颞叶皮层的超微结构进行了计算密集型重建，该皮层通过手术切除，以进入潜在的癫痫灶。它包含约57000个细胞、约230毫米的血管和约1.5亿个突触，包括1.4 pb。这一分析表明，神经胶质细胞的数量是神经元的2倍多，少突胶质细胞是最常见的细胞，深层兴奋性神经元可以根据树突方向进行分类，在每个神经元的数千个弱连接中，存在罕见的高达50个突触的强大轴突输入。

总之，利用这一资源进行的进一步研究可能会为人类大脑的奥秘带来有价值的见解。

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理论依据

获取人类神经回路的一个关键障碍是获取高质量的人类脑组织。器官活检可为许多人体器官系统提供有价值的信息，但除了检查或切除肿瘤性肿块外，很少在大脑中进行活检，因此大多数活检对于研究正常人的大脑结构都是有问题的。一种尝试是使用由人体细胞制成的脑器质性组织，但目前它们并不接近脑组织结构（例如，不存在皮质层）。一种直接的方法是从神经外科手术治疗神经系统疾病时获得的人体标本中绘制细胞和电路图，在这些标本中，大脑皮层的碎片因阻碍病理部位的进入而被丢弃。我们认为，作为神经外科手术副产品的人类脑组织可以用来研究正常的–最终是失调的–人类神经回路。

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重建的大脑样本

在本研究中，作者分析了来自左前中颞回切除的样本，用于识别潜在的癫痫病灶。样本被切割出5019个厚33.9纳米的连续切片，形成170微米厚的组织块。使用EM以4×4纳米的分辨率成像（图1A）并进行了图像对齐（图1B）。经过处理，得到一个1.4千兆字节，1.05毫米^3的三维数据集。作者对该数据集中几乎所有神经单元和结构进行了三维重建。重建结果显示了包含轴突和树突的神经细胞体。

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细胞和突触组织

H01资源被细致分类，按体积计算后，发现大脑由多种成分组成。此外，研究识别了所有有核细胞（图3），其中包括49,080个神经元和胶质细胞及8100个血管相关细胞（图3B）。这些神经元主要分为spiny（65.5%），nonspiny和nonpyramidal。神经元密度大约为16,000/mm³。

皮层的层次结构可通过细胞体体积和密度划分为六层。不同层次中，胶质细胞表现出明显差异（图3E到G），特别是protoplasmic astrocytes主要分布在第2至6层。少突胶质细胞在各层密度均匀，但表现出对血管的亲和性。此外，他们还发现了大量的骨髓轴突以及血管内衬有内皮细胞和周细胞（图3B）。

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在突触方面，确定了约1.5亿个突触，并将其分为兴奋性和抑制性两类。兴奋性突触在1层和3层密度最高，而抑制性突触在1层达到峰值（图4A和4B）。此外，锥体神经元和中间神经元接收的兴奋性与抑制性输入比例在各层稍有不同（图4F），从中可见神经网络的复杂调控机制。

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而以上的模型都是由谷歌团队利用AI人工智能工具，对这些切片进行着色，绘制这些细胞突触和连接的数据库达到了1.4PB的大小，这估计是目前绘制的人类大脑最高分辨率的图片了。

总结

作者的研究致力于利用纳米级分辨率探索人脑六层皮层结构，他们在细胞至亚细胞级别揭示脑组织的细节，研究神经元、突触、神经胶质和血管之间的复杂关系。此外，作者提供了几种软件工具，如基于浏览器的Neuroglancer，及其派生工具CREST和CAVE，以及VAST，这些工具有助于数据的可视化和注释。此外，考虑到人脑经验和遗传变异性的差异，比较不同人类大脑的神经回路是一项挑战。尽管这一领域仍处于初级阶段，但作者的研究已为理解神经回路连接提供了重要的数据和工具。