谷歌与哈佛联合研究：纳米级人脑建模揭示突触网络细节

突破性的人脑建模研究

近期，谷歌与哈佛大学联手进行了一项对局部人脑进行纳米级建模的研究，该研究成果已经在《Science》上发表。这项工作是迄今为止最大、最详细的人脑复制品，首次全面展示了大脑中的突触连接网络，并凭借超高分辨率揭示了以前未见过的关于人类大脑的精细细节。研究的通讯作者、哈佛大学的Lichtman教授指出，此前从未有人如此细致地观察过这样复杂的突触网络。

纳米级建模的关键成果与数据规模

该研究涉及了1立方毫米的人脑组织，所产生的数据量高达1.4PB，这一数据规模令人震惊。如果按照人脑的体积进行推算，整个大脑建模将产生1.76ZB的数据，这是一个相当庞大的数字，即使是目前最先进的超级计算机的存储容量也仅是其万分之七，远不足于存储单个人脑的数据。此外，1立方毫米体积的脑组织中包含了5.7万细胞和1.5亿突触，而整个大脑的突触数量更是达到了千万亿水平。与此相比，最先进的人工智能模型如[GPT-4](https://ai-kit.cn/sites/1023.html)的参数量仅为2万亿，这仅仅是人脑突触数量的百分之0.2，从体积上计算，这差不多就像在大脑中嵌入一颗芝麻粒那么大。

独特的突触网络结构

研究者们从一个45岁女性癫痫患者的颞叶皮层组织样本开始，通过一系列精密的实验步骤，最终在纳米级别上重建了该组织样本的三维形态。他们使用多束扫描电子显微镜对数目众多的超薄切片进行了高分辨率成像，并通过机器学习算法对图像进行拼接、对齐，最终重建出了三维的体素数据。通过这种方法，研究团队成功地重建了1立方毫米脑组织中的5万多个细胞核、1.5亿突触，以及其间230毫米的超细静脉。

神经科学研究的新启示

这项成果不仅刷新了我们对人类大脑复杂性的认识，还为神经科学研究带来了新的启示。研究人员发现，绝大多数轴突与其目标细胞仅形成一个突触，但少数轴突却能与目标细胞形成多个突触，形成特别强的连接。这一发现为理解大脑中的信息传递和神经网络的工作原理提供了新的视角。此外，研究团队将所有原始数据、建模结果和相关工具进行了开源，这将极大地促进学界对大脑结构和功能的进一步探索。