如果能夠把大腦中的突觸以地圖的形式畫(huà)下來(lái)并標(biāo)注，那將是一件多么壯觀的事情！近日，來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)用小鼠做實(shí)驗(yàn)，畫(huà)出了小鼠大腦的突觸圖，并使用技術(shù)點(diǎn)亮了這些突觸，使得其看起來(lái)像星夜一樣漂亮！

想象一幅包含整個(gè)銀河系中每一顆星星的地圖。這個(gè)地圖非常詳細(xì)，它展示了每一顆星星的樣子、材質(zhì)，以及它如何通過(guò)宇宙物理定律和另一顆星星產(chǎn)生聯(lián)系。

盡管我們目前沒(méi)有此類天體圖，但上周 Neuron 上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究，展示了大腦的「天體圖」。

假設(shè)每個(gè)神經(jīng)元是一個(gè)銀河系，那么突觸就是其中的星星。在一項(xiàng)重要技術(shù)突破中，來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)首次構(gòu)建了小鼠大腦中包含每一個(gè)突觸的詳細(xì)地圖。

該團(tuán)隊(duì)使用基因改造過(guò)的小鼠，使小鼠大腦中的每一個(gè)突觸在熒光燈下被點(diǎn)亮，像星夜一樣。與星星之間的差異類似，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)突觸之間的差別也很大，不過(guò)脈沖的模式可能支持記憶和思考。

「人腦中的突觸比銀河系中的星星數(shù)量還多。大腦是我們已知最復(fù)雜的物體，在這種層面上理解突觸之間的聯(lián)系是揭開(kāi)大腦神秘面紗的關(guān)鍵一步?！怪饕髡?、臨床腦科學(xué)中心（Center for Clinical Brain Sciences）的 Dr. Seth Grant 說(shuō)道。

該詳細(xì)地圖揭示了大腦活動(dòng)的基本法則。在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，該團(tuán)隊(duì)把大腦中的大約 10 億個(gè)突觸劃分為 37 個(gè)子類別。當(dāng)神經(jīng)元集合收到電子信息，如試圖在多個(gè)問(wèn)題解決方案中選擇一個(gè)時(shí)，不同神經(jīng)元中的某種突觸子類別全都發(fā)光。

也就是說(shuō)：突觸是分類別的。每種類型可能控制一種想法、決策或記憶。這引發(fā)了神經(jīng)科學(xué)界人士在推特上的熱烈討論。明尼蘇達(dá)大學(xué)的 Ben Saunders 博士評(píng)論道：「哇哦。」

神經(jīng)遺傳學(xué)家 Kevin Mitchell 博士發(fā)推寫(xiě)道，這是「一篇非常棒的論文，介紹了小鼠大腦中突觸子類別的多樣性和分布?！顾笍?qiáng)調(diào)了這一事實(shí)：突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中關(guān)鍵的計(jì)算元素。」

神經(jīng)連接組（Connectome）連接

該團(tuán)隊(duì)的興趣是構(gòu)建「突觸組」（synaptome）——小鼠大腦中突觸的首個(gè)完整分類，這來(lái)源于更大的項(xiàng)目：連接組。

簡(jiǎn)而言之，連接組是大腦中所有的神經(jīng)元連接。Sebastian Seung 博士在 TED 演講中宣講，連接組是你的生物學(xué)基礎(chǔ)——你的記憶、個(gè)性以及你如何思考和推理。捕獲你的連接組，某一天科學(xué)家也許能夠重建一個(gè)你——這就是所謂的全腦仿真。

既然連接組只描述了神經(jīng)元如何在功能上相互交流，那它在大腦的什么地方被物理編碼呢？

突觸。神經(jīng)科學(xué)家早就知道突觸利用化學(xué)物質(zhì)和電流在神經(jīng)元之間傳遞信息。也有跡象表明，突觸的蛋白質(zhì)種類差異巨大，但一直以來(lái)這種差異大多被忽略。直到最近，大多數(shù)科學(xué)家開(kāi)始認(rèn)為，實(shí)際計(jì)算發(fā)生在神經(jīng)元體，也就是神經(jīng)元的球狀部分，神經(jīng)元的分支從該部分伸出。

研究人員解釋說(shuō)，到目前為止，還沒(méi)有一種方法可以觀察整個(gè)大腦突觸的形態(tài)和功能。而我們一直致力于在小范圍內(nèi)繪制這些關(guān)鍵連接點(diǎn)。

「突觸組圖可以用來(lái)詢問(wèn) [不同的] 突觸空間分布是否與連接組結(jié)構(gòu)有關(guān)?！寡芯啃〗M推斷。

如果是這樣的話，未來(lái)的大腦模擬器可能最終可以抓住一些固態(tài)的東西。

突觸圖（SYNMAP）

為了構(gòu)建小鼠的突觸組，研究者們開(kāi)發(fā)了一個(gè)通道并將其稱之為「突觸圖」。他們從基因改造后的小鼠入手，這些小鼠的突觸發(fā)出不同顏色的光。每個(gè)突觸用不同的蛋白質(zhì)填充，PSD-95 和 SAP102 是其中最主要的兩種蛋白。研究者將發(fā)光的蛋白質(zhì)添加到這些突觸中，充當(dāng)「火炬」照亮大腦中的每一個(gè)突觸。

該團(tuán)隊(duì)首先在熒光燈下對(duì)一只有發(fā)光突觸的老鼠進(jìn)行生物工程處理。

接下來(lái)，他們費(fèi)力地將大腦切成薄片，使用顯微鏡捕捉不同大腦區(qū)域中的突觸圖像并將圖像拼到一起。

對(duì)于未經(jīng)訓(xùn)練的眼睛來(lái)說(shuō)，突觸的圖像看起來(lái)像一幅密集的星圖。對(duì)每個(gè)突觸進(jìn)行分類超出了人類研究者的能力范圍（及時(shí)間投入上限），因此該團(tuán)隊(duì)利用新的機(jī)器學(xué)習(xí)分類技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種新的算法，可以在無(wú)人監(jiān)督的條件下自動(dòng)分析這些數(shù)據(jù)（超過(guò) 10TB）。

一個(gè)物理連接組

實(shí)驗(yàn)伊始，該團(tuán)隊(duì)就被發(fā)光突觸構(gòu)成的「精美圖案」打動(dòng)了。一種被標(biāo)記的蛋白質(zhì)——PSD-95——似乎游離在大腦偏外層的部分，這里負(fù)責(zé)更高級(jí)的認(rèn)知功能。盡管圖案有重疊的部分，但其它發(fā)光蛋白質(zhì)都分布在大腦偏內(nèi)側(cè)的區(qū)域。

大腦中顯示兩種發(fā)光突觸蛋白（PSD-95 和 SAP102）的顯微圖像。

研究人員解釋說(shuō)，經(jīng)過(guò)近距離觀察，他們發(fā)現(xiàn)這兩種發(fā)光的蛋白質(zhì)代表不同類別的突觸。大腦的每個(gè)區(qū)域都有一種獨(dú)特的「突觸組標(biāo)記」。就像人的指紋在形態(tài)和大小方面存在差異，不同的大腦區(qū)域包含的突觸在蛋白質(zhì)、大小、數(shù)目等方面也不同。

該團(tuán)隊(duì)利用內(nèi)部開(kāi)發(fā)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法將突觸分成了 37 個(gè)子類別。值得注意的是，與高級(jí)推理及思考能力相關(guān)的大腦區(qū)域也包含最多樣的突觸群，但「爬行動(dòng)物腦區(qū)」（如腦干）的突觸子類別更加一致。

顯示每個(gè)區(qū)域中最常見(jiàn)突觸子類別的大腦橫截面圖。每種顏色代表不同的突觸子類別。「Box 4」區(qū)域是海馬體。

為什么？

為了觀察突觸多樣性是否有助于信息處理，研究小組使用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)觀察突觸如何對(duì)海馬體中常見(jiàn)的電流模式做出反應(yīng)，海馬體是大腦中呈海馬形狀的區(qū)域，對(duì)學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要。海馬體是突觸子類別表現(xiàn)出顯著多樣性的區(qū)域之一，每個(gè)子類別都以驚人的方式分布在整個(gè)大腦結(jié)構(gòu)中。

值得注意的是，每種類型的電流信息處理都轉(zhuǎn)換成了獨(dú)特的突觸組圖——改變輸入，等于改變突觸組。

這表明大腦可以利用同一區(qū)域處理多個(gè)電流信息，因?yàn)樵搮^(qū)域具有不同的突觸組。

研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們使用老鼠記錄的電流模式在三種獎(jiǎng)勵(lì)中進(jìn)行選擇時(shí)結(jié)果相似。當(dāng)選擇正確或錯(cuò)誤時(shí)，不同的突觸組會(huì)發(fā)光。就像進(jìn)入內(nèi)部思維的地圖一樣，突觸組繪制了一幅生動(dòng)的圖像，展示了老鼠做出選擇時(shí)的思維。

每種行為都會(huì)激活一個(gè)特定的突觸組。每一個(gè)突觸組都像一個(gè)思維過(guò)程的獨(dú)特指紋。

突觸組改編

就像計(jì)算機(jī)代碼一樣，突觸組似乎是計(jì)算輸出的基礎(chǔ)——決策或思想。那么如果代碼被搞砸了怎么辦？

精神疾病通常有影響突觸蛋白質(zhì)的遺傳原因。研究小組使用表現(xiàn)出類似精神分裂癥或孤獨(dú)癥癥狀的老鼠，繪制了它們的突觸組圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中各種突觸子類別的結(jié)構(gòu)和連接方式發(fā)生了巨大的變化。

例如，響應(yīng)于某些正常的大腦電流模式，一些突觸圖只是微弱地出現(xiàn)，而在突變的小鼠大腦中，一些突觸組圖變得異常強(qiáng)大。

突變可以改變突觸組，還可能導(dǎo)致精神失常。

研究人員得出結(jié)論：某些精神疾病似乎「改編」了突觸組。因此，事實(shí)上某些更強(qiáng)或新的突觸組圖可能是精神分裂癥患者產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)和幻覺(jué)的原因。

所以你是你的突觸組繪制出來(lái)的那樣嗎？

也許吧。你的本質(zhì)——記憶、思維模式——似乎被蝕刻到了不同的突觸是如何響應(yīng)輸入而激活的。就像記憶和決策的指紋一樣，可以通過(guò)「讀取」突觸組來(lái)解讀思維。

但是正如研究人員所說(shuō)，這項(xiàng)研究只是開(kāi)始。隨著這篇論文的發(fā)表，該團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了一個(gè)突觸組探索工具，幫助神經(jīng)科學(xué)家進(jìn)一步分析突觸和人體之間的復(fù)雜聯(lián)系。

Grant 說(shuō)：「這張地圖開(kāi)辟了大量新的研究途徑，應(yīng)該會(huì)改變我們對(duì)反常行為和腦部疾病的理解。」

論文：Architecture of the Mouse Brain Synaptome

論文鏈接：https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(18)30581-6

圖文摘要：突觸在大腦中數(shù)量龐大，且包含復(fù)雜的蛋白質(zhì)組。我們開(kāi)發(fā)了基因標(biāo)記、成像方法來(lái)檢測(cè)小鼠大腦各個(gè)區(qū)域的單個(gè)興奮性突觸中的突觸蛋白，并從十億個(gè)突觸的分子和形態(tài)特征中得出突觸分類表。每個(gè)突觸子類別顯示了一種獨(dú)特的解剖分布，而每個(gè)大腦區(qū)域顯示了一種獨(dú)特的突觸子類別標(biāo)記。全腦突觸組圖揭示了從樹(shù)突到整個(gè)系統(tǒng)層次的空間結(jié)構(gòu)和以前未知的解剖特征。線路突觸組圖顯示了突觸多樣性和結(jié)構(gòu)、功能連接組之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。神經(jīng)活動(dòng)的行為相關(guān)模式觸發(fā)了對(duì)突觸組圖結(jié)構(gòu)敏感的時(shí)空突觸后反應(yīng)?？刂聘呒?jí)認(rèn)知功能的區(qū)域包含最豐富的突觸多樣性，而導(dǎo)致認(rèn)知紊亂的突變又重組了突觸組圖。突觸組技術(shù)和資源在正常和患病大腦的研究中有著廣泛的應(yīng)用。