一个刚出生的婴儿，吃饱了，昏昏欲睡，被包裹在毯子里，躺在一个看起来像茶盘的东西上，一端连接着一个头盔。一旦婴儿睡着，研究人员就会拉动毯子上的特殊标签，以便将婴儿轻松放入头盔中。这是一个定制的接收线圈，用于磁共振成像 (MRI)，这是一种可视化活人大脑的常用方法。研究人员将婴儿保持装置沿着特殊的滑轨滑入 MRI 管，并开始收集图像。
来自大约 1000 次此类扫描，以及另外 500 次发育中胎儿的扫描，英国“发育人类连接体项目”的科学家计划绘制大脑区域在发育过程中如何相互交流的图谱。然后，他们希望找出早产儿为何有患自闭症谱系障碍或注意力缺陷多动障碍等疾病的风险，并可能进行类似的扫描，以检查预防此类疾病的方法是否有效。
该项目是众多旨在揭示“连接体”（大脑数百个区域和数百万神经元之间的连接）的项目之一。“仅仅关注大脑一个部分的日子正在逐渐消退，”洛杉矶南加州大学 (USC) 神经影像实验室主任亚瑟·托加说。他和其他科学家已经开始将健康大脑中的连接与患有连接病（由异常连接引起的疾病，如精神分裂症）或连接中断（如阿尔茨海默病）的人的连接进行比较。
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连接体研究人员研究的对象范围从活人到蠕虫和苍蝇等微小动物的保存大脑。调查技术范围从 MRI 扫描仪到光学显微镜和电子显微镜。无论具体情况如何，科学家们都在计算机的帮助下，一丝不苟地绘制连接图，以构建图谱。地图制作者希望，揭示连接体的结构将有助于神经科学家在研究大脑不同部分如何协同工作时进行导航。
与传统制图一样，大脑绘图也是一个尺度问题（参见“跨越量级的地图”）。像托加这样研究活人大脑的研究人员只能获得全局视图。“这基本上是 39,000 英尺高度的飞越，”托加说。这种方法被一些人称为宏观尺度，它显示了轴突纤维束如何将大型区域连接在一起。凭借毫米级分辨率，它就像一张标记主要高速公路的国家地图。逐片研究动物大脑的科学家可以获得更多细节。在这个中观尺度上，研究人员可以看到大脑的较小区域如何以微米或亚微米分辨率沿着单个轴突进行通信。这就像在地图中添加了高速公路和当地街道的线路。最后，微观尺度图像以几纳米的分辨率揭示了单个神经元和突触，这类似于一张甚至显示小路和垫脚石的地图。
飞越
为了可视化大脑的超高速公路，10 个机构的 100 名研究人员即将完成为期 5 年、耗资 3000 万美元的“人类连接体项目” (HCP)，该项目由美国国立卫生研究院资助。到 2016 年初，他们预计将完成对 1200 名健康年轻人的 MRI 扫描。他们招募了双胞胎（同卵和异卵）及其非双胞胎兄弟姐妹，以调查大脑连接模式如何遗传；他们还收集了智商评分和吸烟习惯等数据，以寻找与连接体的相关性。到项目结束时，他们将积累一拍字节（1015）的图片。
HCP 研究人员对大脑的基本结构和轴突纤维束进行成像。他们测量整个大脑的血氧水平作为活动指标，寻找人们执行任务或只是发呆时活跃的区域。同时活跃的大脑区域可能协同工作。
为了从每个受试者身上获得最多的信息，HCP 合作者与德国埃尔兰根的西门子医疗保健公司合作，改进了标准的 MRI 扫描仪。它产生 3 特斯拉的磁场（与标准机器中的磁场相当），但可以更精确地控制磁场。MRI 扫描仪使用磁场梯度来瞄准大脑的各个部分，而 HCP 机器更强的梯度可以提供更快的成像和更好的分辨率。这可以创建更详细的轴突束图像。他们的机器的一个版本现已上市，称为 MAGNETOM Prisma。
许多标准 MRI 机器一次收集大脑的一个切片的图像，但包括 HCP 机器在内的其他机器一次收集大脑的八个横截面图像，帮助研究人员了解哪些大脑区域同时工作。HCP 合作者还使用 7 特斯拉机器扫描了一些受试者，获得了更高质量的数据。
在 HCP 项目的另一个分支中，托加和另一组合作者正在以另一种方式推进 MRI 技术。他们正在改进机器可视化轴突束的方式，方法是利用其中水分子受限的运动。这种扩散成像通常最多可以检测 64 个方向的水运动。借助 HCP 的扩散频谱成像软件，MRI 机器可以检测数百个方向，从而揭示比常规 MRI 更小的轴突束。
但高质量的图像是不够的。为了比较受试者之间的图像，研究人员使用学术界编写的软件（如 FSL 和 FreeSurfer）将每个大脑图像拉伸和挤压成标准形状。这些程序还必须跟踪每个图像是如何变形的，因为其中包含有关区分人类大脑的关键数据。
计划进行大规模比较。为 HCP 扫描的 1200 名 22-35 岁的年轻人只是一个开始。美国国立卫生研究院现在将资助研究儿童和老年人的项目。将这些连接体与“发育人类连接体项目”的结果相结合，科学家们将拥有整个人类生命周期的大脑图谱。美国国立卫生研究院还计划赞助专注于患有特定疾病或具有遗传特征的人的工作。
尽管取得了进展，但华盛顿大学圣路易斯分校的神经生物学家、HCP 的联合负责人大卫·范·埃森警告说，MRI 图像只能近似大脑的布线。在中观尺度水平工作的科学家通过使用光学显微镜观察大脑切片来获得更多细节。
在这个尺度上，科学家们致力于挑选出神经元群及其外出的轴突。因此，中观连接体绘图师会注射示踪剂，以标记特定的脑区及其会话伙伴。大部分工作都在小鼠身上进行，但一些研究人员正在开始使用狨猴，这是一种像小猫大小的灵长类动物。
在华盛顿州西雅图的艾伦脑科学研究所，洪奎曾和她的同事通过将携带绿色荧光蛋白 (GFP) 发光标记基因的病毒注射到活体小鼠的大脑中，组装了一个中观连接体。每个注射部位的神经元沿着它们的轴突积累 GFP，从而指向它们与之通信的其他神经元。
为了对大脑进行成像，显微镜学家通常会尽可能薄地切割大脑，但这会损坏组织并降低图像质量。因此，曾使用了一种称为串行双光子断层扫描的技术，该技术在一个名为 TissueCyte 1000 的系统中进行，她帮助马萨诸塞州剑桥市的显微镜公司 TissueVission 设计了该系统。在传统显微镜中，GFP 仅需要一个光子即可发出荧光，但曾的装置需要标记物受到双重照射。任何从她的焦点平面上方或下方流过的散光光子都不会对图像产生影响，因为两个离目标光子不太可能击中同一个 GFP 分子。
下一个技巧是在切片之前扫描切片。研究人员将小鼠大脑嵌入琼脂糖的稳定基质中，然后在顶表面下方成像。集成到显微镜中的切割器然后切掉 100 微米厚的切片，显微镜在新顶表面下方重复成像，贯穿整个大脑。“在我们进行成像之前，它从未被损坏过，”TissueVision 总裁蒂姆·雷根说。曾说，该系统可以在一夜之间扫描整个小鼠大脑。
但成像只是战斗的一部分。显微镜产生缠绕在一起的 3D 轴突的 2D 切片。科学家（或者更确切地说，是他们的计算机算法）必须检查每个切片，跟踪超过 100 个图像中的轴突。这可能比扫描花费更多时间。
南加州大学神经科学家 Houri Hintiryan 正在使用多种彩色示踪剂生成小鼠中观连接体，她说，用于此分析的金标准工具是人眼。她花费大量时间对齐连续图像中的结构。“这非常累人，”她说。“然而，这可能是迄今为止最可靠的方法。”
然而，纽约冷泉港实验室的神经科学家帕尔塔·米特拉表示，最终，这个过程将需要自动化。“必须建立一个虚拟神经解剖学家，”他说。“我希望机器能够查看幻灯片并理解它们。”他和其他研究人员正在朝着这个目标努力。在艾伦研究所，曾的团队已经使用内部软件来量化每个边长 25 微米的方块（大约单个皮质神经元的大小）中的 GFP 信号，而不是直接追踪单个细胞。该团队已经处理了来自 2100 多只小鼠的图像，并将数据在线发布。预计在未来几年内，它将添加来自数百只小鼠的连接信息。
放大
即使是中观尺度连接体也只能提供大脑故事的一部分。微观尺度神经图谱制作者希望看到神经元之间的连接——伸出的轴突与棘状树突相遇的单个突触。每个神经元都与数千个其他神经元对话，因此每个神经元可能有数千个突触。
科学家仍然希望观察大脑的宽阔区域。“这是一种退后一步的尝试，但要保留细节，”德国法兰克福马克斯·普朗克大脑研究所所长莫里茨·赫尔姆施泰特说。“这就是为什么这是一项巨大的努力。”
为此，研究人员依赖电子显微镜。在霍华德·休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区（位于弗吉尼亚州阿什本）的 Fly EM 项目中，合作者使用聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM) 进行串行方法，类似于曾使用光学显微镜所做的工作。他们扫描果蝇大脑的顶部，然后使用离子束从顶部喷砂去除 8 纳米，然后再扫描，然后在整个大脑中重复，总共约 500,000 个切片。
使用 FIB-SEM 对一个果蝇大脑进行切片和成像需要两到三年时间，尽管研究人员可以通过在几台显微镜之间分配任务来缩短时间。快速机器对于更大的小鼠大脑至关重要，因此卡尔蔡司显微镜与连接体科学家合作开发了 MultiSEM 505 显微镜。该设备不使用一个电子束，而是使用 61 个甚至 91 个电子束，因此它可以完成数十台电子显微镜的工作。蔡司公司位于德国奥伯科亨的产品经理 Stephan Nickell 表示，对一平方毫米的组织进行单平面成像仅需八分钟。通过将图像拼接在一起，用户可以获得代表几毫米甚至几厘米大脑切片的图片，但仍然可以放大以获得纳米级细节。
同样，困难的部分是数据处理，而人类仍然做得最好，哈佛大学剑桥分校的神经生物学家杰夫·利希特曼说。他和他的同事正在开发一种算法来接管这项工作。“它大约有 95% 的准确率，这很糟糕，”他说；他认为他们可以改进这一点。珍妮莉亚的科学家们也尚未完全信任计算机；他们让计算机首先尝试识别细胞和突触，然后使用人工校对员。
其他人则众包这项挑战。例如，赫尔姆施泰特开发了一款名为 Brainflight 的游戏，玩家可以在游戏中“飞越”大脑神经，软件会捕捉这些运动以定义轴突的边界。“即使是外行也能在几分钟内做到，”他说。
赫尔姆施泰特和温弗里德·登克（马克斯·普朗克神经生物学研究所所长，位于马丁斯里德）发表了迄今为止报道的最大的微观连接体：一个边长 100 微米的鼠视网膜立方体，包含约 1000 个神经元和 250,000 个突触。这大约是小鼠大脑的两百万分之一。赫尔姆施泰特的下一个目标是立方毫米大小的皮层，大约是现在的 1000 倍大。登克的雄心壮志是完整的小鼠大脑。
行动中的连接体
未来十年，可供挖掘的连接体的数量和范围将迅速增长。与此同时，科学家们在各个部分都取得了进展。范·埃森说，成千上万的人访问了部分 HCP 数据集，曾说，每月有成千上万的人访问艾伦连接体数据库。
加拿大哈利法克斯达尔豪斯大学的神经科学家伊恩·梅纳茨哈根提供了一个简单的例子，说明连接体学如何为他研究果蝇视觉系统的工作做出贡献。果蝇会被紫外线吸引，已知某些光感受器细胞可以检测到这种波长。借助他的电子显微镜图谱，梅纳茨哈根预测，视叶中的某些神经元将接收来自这些光感受器的输入。果然，当他的合作者停用这些连接时，果蝇不再偏爱紫外线。
美国国家衰老研究所（位于马里兰州巴尔的摩）神经科学实验室主任马克·马特森说，这些连接体将为许多神经科学家提供基本信息。“重要的是要知道哪些神经元与大脑中的其他神经元相连；重要的是要知道个体之间存在多大的变异性。”
但对于需要哪些信息以及哪种细节水平最有用，仍然存在争议。纽约大学的托尼·莫夫雄认为，中观连接体击中了理解神经回路的最佳点——神经科学家最想了解的大脑功能水平。例如，对大脑如何处理声音或触摸感兴趣的科学家可以沿着中观连接体通路来识别相关回路的可能成员。在他看来，微观连接体提供了太多的细节，无法提出这类问题。在那个层面上，科学家们“注定会因为关注所有单独的分支而迷失在森林中”，他说。而宏观连接体未能拾取许多连接，因此科学家们会错过回路的重要组成部分。
但其他人表示，所有尺度对于神经科学的下一阶段都是必不可少的，即使现在预测具体情况还为时过早。利希特曼指出，诸如光学显微镜以及随后的电子显微镜等进步揭示了一个细胞宇宙，这是那些缺乏此类设备的人无法想象的。他说，即使在微观尺度上，连接体也会做同样的事情。“仅仅因为这个原因，在这个层面上观察大脑就很可能很有趣。”登克预测，最终，此类信息将成为科学家们依赖的资源。“它就像基因组。这将是每个人都离不开的东西。”
本文经许可转载，首次发表于 2015 年 9 月 30 日。