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突破大脑研究极限！研究表明：在小鼠视觉皮层中重建了200,000个细胞和5亿个突触的连接图谱！

解螺旋 · 公众号 · 医学 · 2025-04-11 18:32

正文

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研究发现

这篇论文介绍了MICrONS联盟创建的MICrONS功能连接组学数据集，该数据集通过对清醒小鼠在观看自然和合成刺激时的初级视觉皮层（VISp）和更高视觉区域（VISrl、VISal和VISlm）中的约75,000个神经元进行密集的钙成像，结合电子显微镜重建，包含超过20万个细胞和5亿个突触。研究通过对一部分神经元的校对，重建了完整的树突树以及局部和跨区域的轴突投射，映射到每个神经元的数千个细胞间连接。该数据集作为开放资源发布，包含数据检索和分析工具。伴随的研究利用该数据集对细胞类型进行了全面表征，绘制了皮层柱的突触级连接图，并揭示了可以与基因表达数据相关联的细胞类型特异性抑制性连接。功能上，研究识别了信息在视觉空间中整合的新计算原则，描述了新的神经元不变性类型，并结合结构和功能揭示了兴奋性神经元在区域内和跨区域连接的一般原则。

研究发现通过结合体积电子显微镜和钙成像技术，能够在小鼠视觉皮层的立方毫米尺度上桥接神经元功能和连接性。研究通过钙成像测量了兴奋性神经元对视觉刺激的反应，并通过串联切片透射电子显微镜（TEM）成像映射了相同立方毫米的连接性。使用可扩展的卷积网络和定制的计算系统，研究在3D中重建了神经元及其突触连接，并进行了广泛的校对以确保准确性。最终，研究将钙成像和TEM数据共同注册，以匹配神经元反应与神经元及其连接性。这种方法不仅揭示了视觉皮层中信息整合的新计算原则，还为理解神经元连接的结构和功能关系提供了新的视角。

临床意义

揭示神经回路的功能与结构关系：该研究通过详细的神经元重建和功能成像，揭示了视觉皮层内和跨区域兴奋性神经元间的连接原则。这为理解大脑如何整合和处理视觉信息提供了新的视角。促进神经元类型的鉴定：通过详细的形态学和突触数据，该研究提出了新的细胞类型鉴定方法，能够识别仅凭形态难以识别的细胞类型。这有助于改进神经元分类和功能分配的研究方法。推动神经疾病研究：了解神经元之间的连接模式及其功能响应可以帮助理解特定脑区在疾病状态下的功能变化。这对于开发针对神经退行性疾病、精神疾病的诊断和治疗策略具有重要意义。支持人工神经网络发展：该研究利用人工神经网络模型来预测神经活动，揭示了视觉皮层计算的背景交互和不变性机制。这一功能性数字模型有助于模拟和理解大脑的计算过程，为人工智能的算法改进提供灵感。提供开放数据资源：通过公开数据和工具，研究者们可以更广泛地开展神经科学研究，促进跨机构和跨学科的合作，加速脑科学研究的进展。这项研究不仅丰富了对视觉皮层功能和结构的理解，也为未来神经科学研究提供了宝贵的数据资源和技术方法。