腦科學(xué)研究又進(jìn)一大步!
來(lái)自普林斯頓的科學(xué)家最新宣布,他們已經(jīng)成功創(chuàng)建了首個(gè)成年體動(dòng)物的全腦連接體圖譜。
其中包含來(lái)自雌性黑腹果蠅大腦的 130000 個(gè)帶注釋的神經(jīng)元,以及它們之間的數(shù)千萬(wàn)個(gè)化學(xué)突觸。
更重要的是,數(shù)據(jù)是完全開(kāi)放的,還能一鍵查詢(xún)。
只需要在 Codex 這個(gè)網(wǎng)站上輸入相關(guān)信息,每個(gè)神經(jīng)元的連接性、大小、神經(jīng)遞質(zhì)等信息都能盡收眼底。
包括直觀的 3D 模型。
這項(xiàng)研究一經(jīng)發(fā)布,就吸引到大量關(guān)注。
英偉達(dá) AI 科學(xué)家范麟熙(Jim Fan)就轉(zhuǎn)發(fā)點(diǎn)贊:
令人著迷的是,普林斯頓大學(xué)的這項(xiàng)研究中,蘊(yùn)含著大自然的注意力、工作記憶甚至基本意識(shí)算法。
將神經(jīng)連接體視作已編譯的可執(zhí)行二進(jìn)制文件,我們可以從完整的大腦模擬中反編譯出多少源代碼?
不僅如此,果蠅的大腦結(jié)構(gòu)還對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)有著重要啟發(fā)。
已經(jīng)有人在電腦上跑了一下這個(gè)模型,模擬了果蠅吃東西和梳理觸角的過(guò)程。
馬斯克也關(guān)注到了這只“電子果蠅”,并感覺(jué)事情開(kāi)始變得奇怪起來(lái)了。
通過(guò)電鏡圖像繪制
研究團(tuán)隊(duì)重建了雌性黑腹果蠅大腦完整連接體圖譜。
不同于傳統(tǒng)的切片方式,圖譜中的信息主要是從電鏡照片中獲得的。
這些電鏡照片來(lái)自 Zheng 和 Lauritzen 等人于 2018 年發(fā)布的 FAFB (full adult fly brain) 數(shù)據(jù)集。
電鏡照片的分辨率可以清晰地看到蛋白質(zhì)分子,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析就能得出有關(guān)信息。
尺寸僅為 0.1 毫米量級(jí)的果蠅大腦擁有上億個(gè)突觸,比哺乳動(dòng)物的突觸還要密集。
果蠅大腦中的神經(jīng)被分成 9 個(gè)大類(lèi)、31 個(gè)小類(lèi),劃分了 78 個(gè)區(qū)域。
這九個(gè)大類(lèi)是在將神經(jīng)元按照信息流向分為三個(gè)部分的基礎(chǔ)上繼續(xù)劃分得到的。
通過(guò)與光學(xué)顯微鏡下的神經(jīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,團(tuán)隊(duì)建立的模型準(zhǔn)確性得到了初步驗(yàn)證。
進(jìn)一步地,數(shù)值計(jì)算和人工抽樣檢查結(jié)果也證明了模型是準(zhǔn)確的。
此外,通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,團(tuán)隊(duì)還對(duì)神經(jīng)元之間的神經(jīng)遞質(zhì)成分進(jìn)行了預(yù)測(cè),且準(zhǔn)確率很高。
研究團(tuán)隊(duì)還分析了果蠅眼部的神經(jīng)回路,追蹤了信息流從輸入神經(jīng)元到輸出神經(jīng)元傳遞的過(guò)程。
盡管輸入和輸出神經(jīng)元的數(shù)量在神經(jīng)系統(tǒng)中占據(jù)的比重很小,但它們是溝通大腦和外界的橋梁。
在這一過(guò)程中,團(tuán)隊(duì)使用了一種概率模型,分析從種子神經(jīng)元開(kāi)始的信息流。
團(tuán)隊(duì)針對(duì)每一個(gè)種子神經(jīng)元進(jìn)行了遍歷,測(cè)量了信息傳到神經(jīng)中樞再到傳出神經(jīng)的過(guò)程。
遍歷過(guò)程中信息傳遞所經(jīng)過(guò)的距離被排序,然后進(jìn)行歸一化處理。
這一過(guò)程幫助研究人員確定了不同類(lèi)型的傳入信息是如何向相對(duì)應(yīng)的神經(jīng)中樞傳遞的,結(jié)果與預(yù)期相吻合。
花費(fèi) 4 年時(shí)間打造
值得一提的是,從成年果蠅完整大腦數(shù)據(jù)(FAFB)到完整構(gòu)建出成年果蠅的大腦圖譜,研究人員一共花費(fèi)了 194 周,也就是 4 年左右的時(shí)間。
而在此背后,這個(gè)名為 FlyWire 的項(xiàng)目得到了超過(guò) 200 名社區(qū)成員的貢獻(xiàn)支持。
官網(wǎng)信息顯示,F(xiàn)lyWire 是一個(gè)人類(lèi)-AI 協(xié)作項(xiàng)目,旨在重建果蠅的全腦連接體。具體而言,F(xiàn)lyWire 由普林斯頓大學(xué)的 Mala Murthy 和 Sebastian Seung 實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建,社區(qū)由神經(jīng)生物學(xué)家、計(jì)算機(jī)科學(xué)家和校對(duì)人員組成。
通過(guò)將神經(jīng)元連接和大腦功能聯(lián)系起來(lái),我們可以在理解大腦如何工作這件事上取得重大進(jìn)展。
論文地址:
[1]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf
[2]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf
[3]https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.05.02.539144v1.full.pdf
本文來(lái)自微信公眾號(hào):量子位 (ID:QbitAI),作者:魚(yú)羊 克雷西
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