一個剛出生的嬰兒，吃飽了，昏昏欲睡，被包裹在毯子裡，躺在一個看起來像茶盤的東西上，一端連線著一個頭盔。一旦嬰兒睡著，研究人員就會拉動毯子上的特殊標籤，以便將嬰兒輕鬆放入頭盔中。這是一個定製的接收線圈，用於磁共振成像 (MRI)，這是一種視覺化活人大腦的常用方法。研究人員將嬰兒保持裝置沿著特殊的滑軌滑入 MRI 管，並開始收集影像。
來自大約 1000 次此類掃描，以及另外 500 次發育中胎兒的掃描，英國“發育人類連線體專案”的科學家計劃繪製大腦區域在發育過程中如何相互交流的圖譜。然後，他們希望找出早產兒為何有患自閉症譜系障礙或注意力缺陷多動障礙等疾病的風險，並可能進行類似的掃描，以檢查預防此類疾病的方法是否有效。
該專案是眾多旨在揭示“連線體”（大腦數百個區域和數百萬神經元之間的連線）的專案之一。“僅僅關注大腦一個部分的日子正在逐漸消退，”洛杉磯南加州大學 (USC) 神經影像實驗室主任亞瑟·託加說。他和其他科學家已經開始將健康大腦中的連線與患有連線病（由異常連線引起的疾病，如精神分裂症）或連線中斷（如阿爾茨海默病）的人的連線進行比較。
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連線體研究人員研究的物件範圍從活人到蠕蟲和蒼蠅等微小動物的儲存大腦。調查技術範圍從 MRI 掃描器到光學顯微鏡和電子顯微鏡。無論具體情況如何，科學家們都在計算機的幫助下，一絲不苟地繪製連線圖，以構建圖譜。地圖製作者希望，揭示連線體的結構將有助於神經科學家在研究大腦不同部分如何協同工作時進行導航。
與傳統制圖一樣，大腦繪圖也是一個尺度問題（參見“跨越量級的地圖”）。像託加這樣研究活人大腦的研究人員只能獲得全域性檢視。“這基本上是 39,000 英尺高度的飛越，”託加說。這種方法被一些人稱為宏觀尺度，它顯示了軸突纖維束如何將大型區域連線在一起。憑藉毫米級解析度，它就像一張標記主要高速公路的國家地圖。逐片研究動物大腦的科學家可以獲得更多細節。在這個中觀尺度上，研究人員可以看到大腦的較小區域如何以微米或亞微米解析度沿著單個軸突進行通訊。這就像在地圖中添加了高速公路和當地街道的線路。最後，微觀尺度影像以幾奈米的解析度揭示了單個神經元和突觸，這類似於一張甚至顯示小路和墊腳石的地圖。
飛越
為了視覺化大腦的超高速公路，10 個機構的 100 名研究人員即將完成為期 5 年、耗資 3000 萬美元的“人類連線體專案” (HCP)，該專案由美國國立衛生研究院資助。到 2016 年初，他們預計將完成對 1200 名健康年輕人的 MRI 掃描。他們招募了雙胞胎（同卵和異卵）及其非雙胞胎兄弟姐妹，以調查大腦連線模式如何遺傳；他們還收集了智商評分和吸菸習慣等資料，以尋找與連線體的相關性。到專案結束時，他們將積累一拍位元組（1015）的圖片。
HCP 研究人員對大腦的基本結構和軸突纖維束進行成像。他們測量整個大腦的血氧水平作為活動指標，尋找人們執行任務或只是發呆時活躍的區域。同時活躍的大腦區域可能協同工作。
為了從每個受試者身上獲得最多的資訊，HCP 合作者與德國埃爾蘭根的西門子醫療保健公司合作，改進了標準的 MRI 掃描器。它產生 3 特斯拉的磁場（與標準機器中的磁場相當），但可以更精確地控制磁場。MRI 掃描器使用磁場梯度來瞄準大腦的各個部分，而 HCP 機器更強的梯度可以提供更快的成像和更好的解析度。這可以建立更詳細的軸突束影像。他們的機器的一個版本現已上市，稱為 MAGNETOM Prisma。
許多標準 MRI 機器一次收集大腦的一個切片的影像，但包括 HCP 機器在內的其他機器一次收集大腦的八個橫截面影像，幫助研究人員瞭解哪些大腦區域同時工作。HCP 合作者還使用 7 特斯拉機器掃描了一些受試者，獲得了更高質量的資料。
在 HCP 專案的另一個分支中，託加和另一組合作者正在以另一種方式推進 MRI 技術。他們正在改進機器視覺化軸突束的方式，方法是利用其中水分子受限的運動。這種擴散成像通常最多可以檢測 64 個方向的水運動。藉助 HCP 的擴散頻譜成像軟體，MRI 機器可以檢測數百個方向，從而揭示比常規 MRI 更小的軸突束。
但高質量的影像是不夠的。為了比較受試者之間的影像，研究人員使用學術界編寫的軟體（如 FSL 和 FreeSurfer）將每個大腦影像拉伸和擠壓成標準形狀。這些程式還必須跟蹤每個影像是如何變形的，因為其中包含有關區分人類大腦的關鍵資料。
計劃進行大規模比較。為 HCP 掃描的 1200 名 22-35 歲的年輕人只是一個開始。美國國立衛生研究院現在將資助研究兒童和老年人的專案。將這些連線體與“發育人類連線體專案”的結果相結合，科學家們將擁有整個人類生命週期的大腦圖譜。美國國立衛生研究院還計劃贊助專注於患有特定疾病或具有遺傳特徵的人的工作。
儘管取得了進展，但華盛頓大學聖路易斯分校的神經生物學家、HCP 的聯合負責人大衛·範·埃森警告說，MRI 影像只能近似大腦的佈線。在中觀尺度水平工作的科學家透過使用光學顯微鏡觀察大腦切片來獲得更多細節。
在這個尺度上，科學家們致力於挑選出神經元群及其外出的軸突。因此，中觀連線體繪圖師會注射示蹤劑，以標記特定的腦區及其會話夥伴。大部分工作都在小鼠身上進行，但一些研究人員正在開始使用狨猴，這是一種像小貓大小的靈長類動物。
在華盛頓州西雅圖的艾倫腦科學研究所，洪奎曾和她的同事透過將攜帶綠色熒光蛋白 (GFP) 發光標記基因的病毒注射到活體小鼠的大腦中，組裝了一箇中觀連線體。每個注射部位的神經元沿著它們的軸突積累 GFP，從而指向它們與之通訊的其他神經元。
為了對大腦進行成像，顯微鏡學家通常會盡可能薄地切割大腦，但這會損壞組織並降低影像質量。因此，曾使用了一種稱為序列雙光子斷層掃描的技術，該技術在一個名為 TissueCyte 1000 的系統中進行，她幫助馬薩諸塞州劍橋市的顯微鏡公司 TissueVission 設計了該系統。在傳統顯微鏡中，GFP 僅需要一個光子即可發出熒光，但曾的裝置需要標記物受到雙重照射。任何從她的焦點平面上方或下方流過的散光光子都不會對影像產生影響，因為兩個離目標光子不太可能擊中同一個 GFP 分子。
下一個技巧是在切片之前掃描切片。研究人員將小鼠大腦嵌入瓊脂糖的穩定基質中，然後在頂表面下方成像。整合到顯微鏡中的切割器然後切掉 100 微米厚的切片，顯微鏡在新頂表面下方重複成像，貫穿整個大腦。“在我們進行成像之前，它從未被損壞過，”TissueVision 總裁蒂姆·雷根說。曾說，該系統可以在一夜之間掃描整個小鼠大腦。
但成像只是戰鬥的一部分。顯微鏡產生纏繞在一起的 3D 軸突的 2D 切片。科學家（或者更確切地說，是他們的計算機演算法）必須檢查每個切片，跟蹤超過 100 個影像中的軸突。這可能比掃描花費更多時間。
南加州大學神經科學家 Houri Hintiryan 正在使用多種彩色示蹤劑生成小鼠中觀連線體，她說，用於此分析的金標準工具是人眼。她花費大量時間對齊連續影像中的結構。“這非常累人，”她說。“然而，這可能是迄今為止最可靠的方法。”
然而，紐約冷泉港實驗室的神經科學家帕爾塔·米特拉表示，最終，這個過程將需要自動化。“必須建立一個虛擬神經解剖學家，”他說。“我希望機器能夠檢視幻燈片並理解它們。”他和其他研究人員正在朝著這個目標努力。在艾倫研究所，曾的團隊已經使用內部軟體來量化每個邊長 25 微米的方塊（大約單個皮質神經元的大小）中的 GFP 訊號，而不是直接追蹤單個細胞。該團隊已經處理了來自 2100 多隻小鼠的影像，並將資料線上釋出。預計在未來幾年內，它將新增來自數百隻小鼠的連線資訊。
放大
即使是中觀尺度連線體也只能提供大腦故事的一部分。微觀尺度神經圖譜製作者希望看到神經元之間的連線——伸出的軸突與棘狀樹突相遇的單個突觸。每個神經元都與數千個其他神經元對話，因此每個神經元可能有數千個突觸。
科學家仍然希望觀察大腦的寬闊區域。“這是一種退後一步的嘗試，但要保留細節，”德國法蘭克福馬克斯·普朗克大腦研究所所長莫里茨·赫爾姆施泰特說。“這就是為什麼這是一項巨大的努力。”
為此，研究人員依賴電子顯微鏡。在霍華德·休斯醫學研究所珍妮莉亞研究園區（位於弗吉尼亞州阿什本）的 Fly EM 專案中，合作者使用聚焦離子束掃描電子顯微鏡 (FIB-SEM) 進行序列方法，類似於曾使用光學顯微鏡所做的工作。他們掃描果蠅大腦的頂部，然後使用離子束從頂部噴砂去除 8 奈米，然後再掃描，然後在整個大腦中重複，總共約 500,000 個切片。
使用 FIB-SEM 對一個果蠅大腦進行切片和成像需要兩到三年時間，儘管研究人員可以透過在幾臺顯微鏡之間分配任務來縮短時間。快速機器對於更大的小鼠大腦至關重要，因此卡爾蔡司顯微鏡與連線體科學家合作開發了 MultiSEM 505 顯微鏡。該裝置不使用一個電子束，而是使用 61 個甚至 91 個電子束，因此它可以完成數十臺電子顯微鏡的工作。蔡司公司位於德國奧伯科亨的產品經理 Stephan Nickell 表示，對一平方毫米的組織進行單平面成像僅需八分鐘。透過將影像拼接在一起，使用者可以獲得代表幾毫米甚至幾釐米大腦切片的圖片，但仍然可以放大以獲得奈米級細節。
同樣，困難的部分是資料處理，而人類仍然做得最好，哈佛大學劍橋分校的神經生物學家傑夫·利希特曼說。他和他的同事正在開發一種演算法來接管這項工作。“它大約有 95% 的準確率，這很糟糕，”他說；他認為他們可以改進這一點。珍妮莉亞的科學家們也尚未完全信任計算機；他們讓計算機首先嚐試識別細胞和突觸，然後使用人工校對員。
其他人則眾包這項挑戰。例如，赫爾姆施泰特開發了一款名為 Brainflight 的遊戲，玩家可以在遊戲中“飛越”大腦神經，軟體會捕捉這些運動以定義軸突的邊界。“即使是外行也能在幾分鐘內做到，”他說。
赫爾姆施泰特和溫弗裡德·登克（馬克斯·普朗克神經生物學研究所所長，位於馬丁斯里德）發表了迄今為止報道的最大的微觀連線體：一個邊長 100 微米的鼠視網膜立方體，包含約 1000 個神經元和 250,000 個突觸。這大約是小鼠大腦的兩百萬分之一。赫爾姆施泰特的下一個目標是立方毫米大小的皮層，大約是現在的 1000 倍大。登克的雄心壯志是完整的小鼠大腦。
行動中的連線體
未來十年，可供挖掘的連線體的數量和範圍將迅速增長。與此同時，科學家們在各個部分都取得了進展。範·埃森說，成千上萬的人訪問了部分 HCP 資料集，曾說，每月有成千上萬的人訪問艾倫連線體資料庫。
加拿大哈利法克斯達爾豪斯大學的神經科學家伊恩·梅納茨哈根提供了一個簡單的例子，說明連線體學如何為他研究果蠅視覺系統的工作做出貢獻。果蠅會被紫外線吸引，已知某些光感受器細胞可以檢測到這種波長。藉助他的電子顯微鏡圖譜，梅納茨哈根預測，視葉中的某些神經元將接收來自這些光感受器的輸入。果然，當他的合作者停用這些連線時，果蠅不再偏愛紫外線。
美國國家衰老研究所（位於馬里蘭州巴爾的摩）神經科學實驗室主任馬克·馬特森說，這些連線體將為許多神經科學家提供基本資訊。“重要的是要知道哪些神經元與大腦中的其他神經元相連；重要的是要知道個體之間存在多大的變異性。”
但對於需要哪些資訊以及哪種細節水平最有用，仍然存在爭議。紐約大學的託尼·莫夫雄認為，中觀連線體擊中了理解神經迴路的最佳點——神經科學家最想了解的大腦功能水平。例如，對大腦如何處理聲音或觸控感興趣的科學家可以沿著中觀連線體通路來識別相關回路的可能成員。在他看來，微觀連線體提供了太多的細節，無法提出這類問題。在那個層面上，科學家們“註定會因為關注所有單獨的分支而迷失在森林中”，他說。而宏觀連線體未能拾取許多連線，因此科學家們會錯過迴路的重要組成部分。
但其他人表示，所有尺度對於神經科學的下一階段都是必不可少的，即使現在預測具體情況還為時過早。利希特曼指出，諸如光學顯微鏡以及隨後的電子顯微鏡等進步揭示了一個細胞宇宙，這是那些缺乏此類裝置的人無法想象的。他說，即使在微觀尺度上，連線體也會做同樣的事情。“僅僅因為這個原因，在這個層面上觀察大腦就很可能很有趣。”登克預測，最終，此類資訊將成為科學家們依賴的資源。“它就像基因組。這將是每個人都離不開的東西。”
本文經許可轉載，首次發表於 2015 年 9 月 30 日。