即便是大腦中最簡(jiǎn)單的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也是由數(shù)百萬的連接所構(gòu)成，探究這些龐大的網(wǎng)絡(luò)對(duì)了解大腦的運(yùn)作機(jī)制至關(guān)重要。

由艾倫腦科學(xué)研究所、哈佛醫(yī)學(xué)院和Flanders神經(jīng)電子學(xué)研究中心(NERF)的R. Clay Reid、Wei Chung Allen Lee和Vincent Bonin領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際小組，發(fā)布了迄今為止最大的大腦皮層神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)，揭示出了有關(guān)大腦中網(wǎng)絡(luò)組織機(jī)制的幾個(gè)關(guān)鍵要素。他們的研究結(jié)果發(fā)布在3月28日的《自然》（Nature）雜志上。

艾倫腦科學(xué)研究所資深研究員R. Clay Reid博士說：“這是近十年前啟動(dòng)的一個(gè)研究項(xiàng)目的一次高潮。大腦網(wǎng)絡(luò)太大、太復(fù)雜無法零碎地了解，因此我們利用了一些高通量技術(shù)來收集大腦活動(dòng)和大腦布線的龐大數(shù)據(jù)集。我們發(fā)現(xiàn)這一努力是絕對(duì)值得的，我們正在了解有關(guān)大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及最終大腦結(jié)構(gòu)如何與功能關(guān)聯(lián)的豐富信息。”

論文的主要作者、哈佛醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)講師Wei-Chung Lee博士說：“盡管這項(xiàng)研究是研究工作實(shí)質(zhì)性章節(jié)中一個(gè)具有里程碑意義的時(shí)刻，這僅僅是個(gè)開始。通過發(fā)現(xiàn)回路布線和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)計(jì)算之間的關(guān)系，我們現(xiàn)在擁有了一些工具來著手對(duì)大腦實(shí)施逆向工程。”

Flanders神經(jīng)電子學(xué)研究中心項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Vincent Bonin說：“數(shù)十年來，研究人員一直在孤立地研究大腦活動(dòng)和布線。我們所取得的成果就是以前所未有的細(xì)節(jié)為這兩個(gè)領(lǐng)域架起橋梁，將神經(jīng)電活動(dòng)與它們彼此之間的納米級(jí)突觸連接聯(lián)系起來。”

Lee補(bǔ)充說：“我們已在大腦皮層網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)了模塊結(jié)構(gòu)的首批解剖學(xué)證據(jù)，以及神經(jīng)元間功能特異性連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。我們采用的方法使得我們能夠定義神經(jīng)回路的組織原理。我們現(xiàn)正在做好了準(zhǔn)備去發(fā)現(xiàn)大腦皮質(zhì)連接模體（motif），它們有可能是大腦皮層網(wǎng)絡(luò)功能的基本構(gòu)件。”

Lee和Bonin首先在小鼠視覺皮層中鑒別了響應(yīng)特殊視覺刺激，例如屏幕上的豎條或橫條的神經(jīng)元。Lee隨后制作了超薄腦切片，捕獲了這些目標(biāo)細(xì)胞和突觸數(shù)百萬張?jiān)敿?xì)的圖像，隨后進(jìn)行了三維重建。美國(guó)兩海岸的注釋者團(tuán)隊(duì)同時(shí)通過一些3D圖像追蹤了單個(gè)神經(jīng)元，并定位了單個(gè)神經(jīng)元之間的連接。

分析這些豐富的數(shù)據(jù)生成了一些結(jié)果，包括第一個(gè)直接的結(jié)構(gòu)證據(jù)支持這一觀點(diǎn)：完成相似任務(wù)的神經(jīng)元比執(zhí)行不同任務(wù)的神經(jīng)元更有可能彼此連接。并且，盡管與執(zhí)行完全不同功能的許多其他神經(jīng)元纏結(jié)在一起，這些連接更大。

Reid 說：“這項(xiàng)研究獨(dú)特的組成部分是結(jié)合了功能成像和詳細(xì)的顯微鏡學(xué)。這些微觀數(shù)據(jù)達(dá)到了前所未有的規(guī)模和細(xì)節(jié)。我們通過首先了解了特定神經(jīng)元的功能獲得了一些非常強(qiáng)大的知識(shí)，隨后觀察了它是如何連接完成相似或不同工作的神經(jīng)元的。”

Reid說：“這就像一個(gè)樂手隨機(jī)就坐的交響樂團(tuán)。如果你只聽附近的一些音樂家，這沒有意義。通過聽每一個(gè)人，你將會(huì)理解音樂；它實(shí)際變得更加簡(jiǎn)單了。如果隨后你去問詢每個(gè)音樂家都聽誰的，或許你甚至可以搞清楚他們是如何創(chuàng)作音樂的。這里沒有指揮，因此管弦樂團(tuán)需要進(jìn)行溝通。”

大腦神經(jīng)元組成了復(fù)雜而龐大的網(wǎng)絡(luò)，這一網(wǎng)絡(luò)控制著我們的行為和情緒。大腦內(nèi)到底有多少種神經(jīng)元，數(shù)十年來這個(gè)問題一直困擾著科學(xué)家們。哥倫比亞大學(xué)的研究人員在2016年3月的Cell雜志上發(fā)表兩篇文章，向人們展示了一種能夠全面鑒定神經(jīng)元類型的新方法。這種方法將成為強(qiáng)大的神經(jīng)學(xué)研究工具，幫助人們定量分析大腦所有區(qū)域的神經(jīng)元多樣性。

來自貝勒醫(yī)學(xué)院，德國(guó)蒂賓根大學(xué)等處的研究人員以前所未有的分辨率，繪制了一副成體小鼠大腦皮層神經(jīng)圖譜，并從中找到了15種不同類型的神經(jīng)元，其中有一些是首次被發(fā)現(xiàn)。這一研究成果公布在2015年11月的Science雜志上。

不同的大腦區(qū)域必須相互溝通才能控制復(fù)雜的思想和行為，但目前對(duì)于這些區(qū)域組織成為廣闊神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制卻相對(duì)知之甚少。在發(fā)表在2014年2月Cell雜志上的一項(xiàng)研究中，研究人員繪制出了一張小鼠全腦圖譜，揭示了大腦皮質(zhì)中數(shù)百條神經(jīng)元通路。這一在線開放獲取的交互式圖像數(shù)據(jù)庫(kù)：小鼠連接組項(xiàng)目（Human Connectome Project），為有興趣研究整個(gè)大腦皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造和功能的研究人員提供了一個(gè)寶貴的資源。