科学家得出哺乳动物大脑中连接的高分辨率视图

艾伦研究所(Allen Institute)的科学家已经生成了一种新的高分辨率视图，该视图形成了老鼠大脑的神经元连线。他们的研究发表在《自然》杂志上，追踪了大脑区域之间成千上万的联系，并为研究人员更好地了解异常或受损的大脑回路与阿尔茨海默氏病和精神分裂症等疾病之间的关系奠定了基础。结果提供了Allen Mouse Brain Connectivity Atlas的高分辨率扩展，这是一种公开可用的资源，它以原始形式捕获了中度(或中等尺度)水平的小鼠的全脑布线图及其“ connectome”。解析度。

“这些连接是神经元彼此交流的主要方式，”艾伦研究所的分部艾伦脑科学研究所结构科学执行董事，该研究的资深作者曾宏奎博士说。“大脑中复杂而复杂的网络，它们不同的途径和子系统，可以处理我们看到的一切，我们的运动，记忆和感觉。”

该视频显示了来自位于整个皮层的五种不同神经元类型的轴突通路。电影中每种神经元类型的颜色都是假的。[艾伦研究所]

升级后的资源(包括约一千项新实验)可能代表了迄今为止哺乳动物大脑中最详细的连接图，可以追踪丘脑与皮质之间的神经连线，丘脑与皮质之间的神经连接负责更高的水平。记忆，决策制定以及我们如何理解周围世界等级别的功能。研究人员分析了他们所有的数据后，发现了组成丘脑和皮层的不同区域之间潜在的“组织结构图”。该图显示了连接的明确顺序，这些顺序支撑了我们大脑的功能。曾说：“了解大脑的连通性是理解大脑如何运作的基础。” 研究人员在题为“皮质和丘脑连接的分层组织。”

这组作者说：“哺乳动物的皮质是一种层状结构，包含许多区域和细胞类型，它们以复杂的方式紧密地相互连接，而对于它们的一般化组织原理仍然鲜为人知。” 认知过程和行为的自愿控制起源于皮层。要了解如何处理传入的感官信息并将其与过去的经验和当前状态进行整合以生成适当的行为，就需要了解解剖学模式和皮质区域之间的连通性规则。”

艾伦老鼠大脑连通性地图集数据集的原始迭代(于2014年首次提供)捕获了大脑区域之间的联系。为了更详细地了解哺乳动物的大脑如何连接，研究人员研究了整个大脑皮层和丘脑特定类别神经元之间的联系。实验利用了一种经过修饰的病毒，该病毒可以追踪神经元的路径，从而有效地点亮大脑的信息路径。研究人员评论说：“我们在先前建立的全脑成像和信息学流水线的基础上，采用了遗传病毒追踪方法，绘制了来自同一皮层区域中独特细胞群以及丘脑中不同投影类别的投影。”

如果地图的第一个迭代捕获了大脑运输系统中的等效铁轨，则此新扩展会添加从一个点到另一个点的特定路线，并使用特殊标签来点亮驻留在大脑不同层中的五种不同类型的神经元。皮层。研究人员解释说：“我们的发现是对几乎涵盖整个小鼠皮层和丘脑的投影模式进行分析，并显示出这些模式与层和细胞类别之间的关系。”

老鼠的大脑大约有8500万个神经元，它们构成大约1000亿个连接或突触。尚未生成一个完整的哺乳动物大脑的逐个突触连接组，但是捕获不同类别细胞建立的连接可以使研究人员发现有关接线结构的新信息。研究人员报告说：“我们的结果表明，小鼠皮层和丘脑形成了一个完整的分层组织。”

“这是艾伦脑科学研究所的另一项具有里程碑意义的巡回研究，该研究解决了小鼠大脑组织的基本问题，”华盛顿大学医学院神经科学系的校友大卫·范·埃森博士说。圣路易斯和艾伦脑科学研究所的科学顾问。“该团队已经获取，分析并自由共享了大量高质量的解剖学连接性数据，从而为哺乳动物的大脑布线提供了迄今为止最广泛的'meso-connectome'描述。”

在阿尔茨海默氏病，帕金森氏病和其他几种脑部疾病和失调中，已发现脑部连接发生了变化。负责连通性研究的艾伦脑科学研究所神经解剖学副主任朱莉·哈里斯(Julie Harris)博士目前正在努力研究阿尔茨海默氏病小鼠模型中的相似连接图，以期更好地理解接线图及其底层组织可能随疾病而变化。

“从这些数据中得到的是巨大的联系，乍一看似乎一切都与一切联系在一起。”与《自然》杂志合著的第一作者哈里斯(Harris) 以及副研究员斯蒂芬·米哈拉斯(Stefan Mihalas)博士说。艾伦脑科学研究所的研究员。“对我们来说，最大的问题是，您如何理解这些模式?它背后有逻辑吗?”

使用计算方法，研究人员发现可以将皮层和丘脑的不同部分映射到一个层次结构中。大脑皮层中专门用于通过我们的感官收集信息的部分(例如视觉和气味)位于底部的“梯级”，以及处理更复杂的输入(例如，由熟悉的气味触发的记忆)的区域，位于顶端。连接在大脑的组织结构图中上下流动，但是向上移动的关系与向下移动的关系不同。

结果还表明，并非所有连接都遵守等级法则。有迹象表明，人类皮层使用相同的组织系统，并且由范·埃森(Van Essen)领导的先前研究表明，灵长类动物大脑的视觉区域具有相似的层次结构。这组作者说：“……我们已经大大扩展了艾伦小鼠大脑连通性地图集资源(http://connectivity.brain-map.org)，增加了1,256个新的跟踪实验。” “我们的发现遵循对几乎覆盖整个小鼠皮质和丘脑的投影模式的分析，并显示出这些模式与层和细胞类别之间的关系。”

艾伦脑科学研究所首席科学家兼总裁克里斯托夫·科赫(Christof Koch)表示：“这不是简单的层次结构，就像单步上升的步骤一样。” “很多连接都没有遵循严格的层次结构规则。但这告诉我们有关哺乳动物大脑这些部分中可能的信息流的信息。下一步将是直接查看神经元如何通过其电活动传递信息，以确认这种模式很重要。”