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发信人: nkbear (空即是色), 信区: Neuroscience
标 题: 脑连接图研究进展
发信站: BBS 未名空间站 (Sun Mar 10 15:51:30 2013, 美东)
神经回路研究神经元是怎么相互连接起来执行特定的功能。 大脑所有神经元之间的连
接图被称作脑连接图，分为静态和动态两种。静态脑连接图是由神经元之间的物理连接
结构所决定的，动态脑连接图则指的是神经元之间的功能性连接。首先，两个物理上连
接的神经元并不一定意味着在功能上的连接，前者是后者的必要而非充分条件。其次，
只有功能性连接才真正有有生理上的意义。
脑连接图可以在不同的尺度上来绘制：宏观尺度，介观尺度，微观尺度。微观脑连接图
指的是单个神经元之间的连接，是通过在纳米到微米尺度上对突触的成像来确定的。绘
制方法包括具有超级精度的光学显微镜和电子显微镜。对这方面感兴趣的实验室有庄小
威，发明双光子显微镜的Winfried Denk，以及在Jenalie Farm的Davi Bock。介观脑连
接图侧重于不同神经元群之间的连接，比如视觉皮层不同层之间的连接，可以精确到微
米和毫米之间。借助于能表达荧光蛋白的病毒，一般的共聚焦显微镜就可以胜任，比如
Allen Mouse Brain Connectivity Atlas。宏观脑连接图是不同脑区之间的长距离连接
，精确度在毫米以上。下面我简单介绍一下现在世界上的大型脑连接图项目。
The Human Connectome Project (HCP，人类脑连接图项目，2010-2015)。 HCP侧重于
宏观脑图的研究，试图准确绘制大量正常人的脑连接图，并通过面向科学界的信息平台
来共享这些数据。这个项目由美国国立卫生研究院神经研究蓝图资助 (National
Institutes of Health Blueprint for Neurosciencet Research)，资助金额达四千万
美元。这些科研究费资助两个相互合作的研究团体：由Dr. David Van Essen和Dr.
Kamil Ugurbil领头的华盛顿大学和明尼苏达大学团队（http://humanconnectome.org/）；由Drs. Bruce Rosen、Van Wedeen和Arthur Toga带头的马萨诸塞州总医院/哈佛大学和加州大学洛杉矶分校团队（http://www.humanconnectomeproject.org/）。两个团队在分工上各有侧重。前者将绘制来自300个家庭的1200个健康的成人双胞胎和他们的兄弟姐们的脑连接图。 通过比较同卵和异卵双胞胎的脑连接图和基因数据，希望能发现内在基因和外部环境对大脑回路的相对贡献，并精确指出可能突变的基因。后者主要致力于优化成像大脑结构性连接的核磁共振（MRI）技术：高精度的扩散核磁共振 （diffusion MRI)。NIH 报道链接：NIH news
Brain Activity Map Project (BAM，脑活动图项目，2013-2023)。BAM项目旨在介观尺
度上绘制动态脑连接图，即大脑的功能性连接脑连接图，由一些著名科学家领头，包括
：Drs. Rafael Yuste, Paul Alivisatos, Miyoung Chun, George M. Church, Ralph
J. Greenspan, Michael L. Roukes。它的口号是记录每个神经元上的每个动作电位。
针对这个项目，美国国立卫生研究院正在起草一个经费为三十亿美元、分十年资助的方
案。这个项目提出一个有趣的问题：“一些神经回路的功能可能是通过神经元之间复杂
的相互作用而涌现出来的”，跟蜂群行为类似。这个项目涉及到三类关键性技术： 钙
成像和电压成像，用纳米探针来记录大范围的电信号，无线技术和合成的生物方法。虽
然该项目前景很有吸引力，但是必须得先突破技术上的瓶颈。先说成像技术。相对于电
压成像，钙成像技术由于性噪比比较高得到比较广泛的应用，但紧局限于深度在1毫米
之内的成像。如何获得大脑深处钙信号的高质量成像，仍需要技术上的突破。其次，钙
信号比实际动作电位的变化要迟缓，这会直接影响到时间上的精度和对来自神经元群的
信号的解读。再次，钙成像技术对于阈下电位的敏感度较差。另一方面，电压成像原理
上可以探测到阈下电位，并且在时间上的精度比较高，但信噪比太低。好消息是最近发
展起来的转基因电压成像技术可以将信噪比大幅度优化，这或许可以在技术上获得进一
步突破。对于大尺度的电信号记录技术，有待解决的问题为如何无创伤得获得点信号，
并且分理处单个神经元的动作电位。(发表于《神经元》上的提案：The proposal on
Neuron，Dr Robert L. Blum对BAM的评论：comment from Dr. Robert L. Blum)
The Human Brain Project (HBP，人类大脑项目，2013-2023). 实际上，这个项目不是
绘制真正的脑连接图，而是用超级电脑来模拟人类大脑的活动，旨在搞清楚大脑是如何
工作的。它的前身是Blue Brain Project, 由Prof. Henry Markram带头。这个项目是
由欧盟资助的两个欧洲旗舰项目之一，参与其中的86个研究机构将分十年获得十亿欧元
的资助。另一个为石墨烯项目：Graphene Flagship，将探索基于石墨烯纳米技术的超
级电脑。
最后，维基上提供了神经科学数据库的列表：Neuroscience database，希望对大家有
所帮助。 |
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