與任何其他器官不同，我們的大腦包含膜狀電纜的極為密集的網(wǎng)絡(luò)，供我們約860億個神經(jīng)細胞用于彼此之間的通信。由于哺乳動物大腦主要部分的每個神經(jīng)細胞，即所謂的大腦皮層，通過沿著這些電纜長距離放置的突觸與大約1,000個其他神經(jīng)細胞進行通訊，因此，我們預(yù)計總共會有500萬公里的電線頭骨-在我們每個人的大腦中，其長度是地球上所有高速公路的10倍以上。

我們(和其他哺乳動物)大腦中發(fā)現(xiàn)的電纜直徑細到50至100納米，大約是頭發(fā)直徑的1000倍。所產(chǎn)生的電纜回旋具有如此高的密度和大小，以至于100多年來，研究人員僅能繪制出給定大腦中一小部分神經(jīng)元之間的連通性。

只有更快的電子顯微鏡技術(shù)(“ 3D EM”)和更有效的圖像分析例程的發(fā)展才使神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的密集映射成為可能。“連接組學(xué)”的新領(lǐng)域一直在追求在幾個物種和大腦區(qū)域中越來越大的電路的密集映射。

在今天發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的著作中，由馬克斯·普朗克(Max Planck)總監(jiān)莫里茲·赫爾姆斯特(Moritz Helmstaedter)組成的小組對四周大的老鼠的大腦皮層進行了成像和分析，該組織是通過活檢從體感皮層獲取的，皮層的一部分占據(jù)了觸摸的表示和處理過程。在這里，研究人員應(yīng)用了優(yōu)化的基于AI的圖像處理和有效的人機交互，以分析該體積中約40萬個突觸和約2.7米的神經(jīng)元電纜。這樣，他們產(chǎn)生了大約7,000個軸突和大約3,700個突觸后神經(jīng)突之間的連接體，產(chǎn)生的連接體大約是六十年前從小鼠視網(wǎng)膜獲得的連接體的26倍。重要的是，這種重建同時要比應(yīng)用于視網(wǎng)膜的重建大，效率要高出33倍，

在連接組學(xué)的這一方法學(xué)突破的推動下，研究人員分析了連接組的當(dāng)前電路模式。特別是，他們詢問電路的哪一部分顯示出與突觸的增長相一致的特性，已知機制有助于電路的形成和“學(xué)習(xí)”。研究的第一作者亞歷山德羅·莫塔(Alessandro Motta)是一名電氣工程師，他是一名電氣工程師，受過培訓(xùn)，他使用特殊的突觸對配置來研究它們與活動相關(guān)學(xué)習(xí)過程(“ LTP”)的一致程度。“由于一些突觸可塑性模型對學(xué)習(xí)例如識別樹或貓時的突觸重量增加做出了具體的預(yù)測，

我們感到驚訝的是，即使在一塊相對較小的皮質(zhì)中也能找到多少信息和精度。特別是可能學(xué)習(xí)的電路分數(shù)的提取使我們大開眼界。

所報道的方法可能對將有關(guān)生物智能的見解轉(zhuǎn)移到今天所謂的“人工智能”具有重要意義。

Helmstaedter說：“在大腦皮層中映射神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是一次重大的科學(xué)冒險，也是因為我們希望能夠提取有關(guān)大腦如何成為如此高效的計算機的信息，這與當(dāng)今的AI不同。” 并描述了一個主要領(lǐng)域的研究領(lǐng)域，其中包括Google和美國情報機構(gòu)(IARPA)的研究計劃，這些主要領(lǐng)域的研究者：“全球主要計劃都希望從生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中了解人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未來。我們?yōu)楂@得第一個里程碑而感到自豪，這是使用最大的普朗克學(xué)會的公共資金，實現(xiàn)了致密的本地皮層連接組”。

經(jīng)過近十年的工作，研究人員對他們的成就充滿熱情。Helmstaedter說：“能夠獲取一塊皮層，進行艱苦的處理，然后從那個美麗的網(wǎng)絡(luò)中獲取整個通信圖，這是我們過去十年來一直在努力的工作。”

研究人員得出結(jié)論：“我們認為，我們的方法應(yīng)用于來自不同大腦區(qū)域，皮質(zhì)層，發(fā)育時間點和物種的大范圍皮質(zhì)組織中，將告訴我們進化如何設(shè)計了這些網(wǎng)絡(luò)，以及經(jīng)驗對塑造的影響其細粒度的結(jié)構(gòu)”。

“此外，結(jié)締組織篩查可以描述精神病和相關(guān)疾病的回路表型-并告訴我們一些重要的腦部疾病實際上在多大程度上是結(jié)節(jié)病，回路病。”