继去年发布果蝇 “半脑” 3D 还原图像后，谷歌将同样的技术应用到了人类大脑上，将连接组学（Connectomics）真正提升了一个量级。

图 | 左：“H01” 中的子数据集；右：5000 个神经元以及兴奋性（绿色）和抑制性（红色）连接（来源：Google AI）

日前，谷歌与哈佛大学 Lichtman 实验室合作，发布了 “H01” 数据集 ，这是一个 1.4 PB（拍字节，Petabytes）级别的人类脑组织小样本渲染图。

“H01” 数据集中的样本，均是在连续切片电子显微镜下以 4nm 分辨率成像、再通过自动计算技术来重建和注释，由此得到的人类大脑皮层结构。

该数据集中的成像数据，可精确到约一立方毫米脑组织，囊括了数万个重建神经元、104 个校对细胞、数百万个神经元片段、1.3 亿个带注释的突触以及许多其他亚细胞注释和结构，以上这些数据均可在 Neuroglancer 网站查看。

（来源：Neuroglancer）

Neuroglancer 是 GitHub 上的一个开源项目，可以查看 PB 级别的 3D 图像，并支持诸多高级功能，如任意轴横截面重构、多分辨率网格等。

目前已被麻省理工学院、哈佛大学、普林斯顿大学、艾伦脑科学研究所、德国马克斯 - 普朗克研究所等广泛使用。

据谷歌介绍，在 4nm 分辨率的清晰度下，“H01” 是迄今为止在所有生物中以这种详尽程度成像和重建的 “最大脑组织样本”，并且是对人类大脑皮层 “突触连接性” 的 “首次大规模研究”，该研究跨越了大脑皮层中所有层面的多种细胞类型。

相关论文已发表在 bioRxiv 上，论文题目为《对人类脑组织 PB 级的连接组学研究》（A connectomic study of a petascale fragment of human cerebral cortex）。

（来源：bioRxiv）

谷歌表示，该项目的主要目标是为人脑研究提供一种新的资源，并改进和扩展连接组学的基础技术。

在波士顿马萨诸塞州总医院接受治疗的匿名癫痫患者，向 Lichtman 实验室捐赠了被移除的大脑皮层。通常在进行癫痫治疗手术时，医生会移除患者部分人类大脑皮层，以便进入大脑更深处的癫痫发作部位。

哈佛研究人员使用自动化磁带收集超薄切片机（automated tape collecting ultra-microtome，ATUM）将脑组织分切并制作成约 5300 个 30 nm 厚的切片，然后用电子显微镜收集和拍摄样本。

研究人员对这 5300 个切片进行成像，最终生成了约 2.25 亿张独立的 2D 照片，团队通过计算和拼贴将这些 2D 图像合成为 3D 图像。尽管收集到的数据质量已经非常高了，但研究人员在对齐数据以合成 3D 图像时仍面临着许多挑战，包括成像伪影、图像缺失、显微镜参数变化以及脑组织的物理拉伸和压缩变化等。

图 | 对齐数据及其片段（来源：Google AI）

对齐后，研究人员使用数以千计的谷歌云 TPU（谷歌定制的人工智能加速器芯片）和此前推出的一种特殊算法 —— 洪水填充网络（flood-filling Network，FNN，又译泛洪算法网络），来生成脑组织中每个细胞的 3D 图像。洪水填充网络是一种图像分割算法，该技术能够精确地重建 3D 图像，此前已应用于对果蝇大脑神经的还原中。

研究者还使用了其他机器学习方法来识别和标注脑组织中的结构，包括 1.3 亿个突触，并精准区分其不同部位如轴突、树突或细胞体等。此外，团队还从中分辨出了髓磷脂和纤毛等其他有趣的构成。

图 | 在 Neuroglancer 上可以查看任意细胞的突触，上图为具有精致螺旋结构的轴突（来源：Neuroglancer）

大脑皮层（Cerebral Cortex）是什么？大脑皮层是脊椎动物大脑中的一个薄表层面，经进化而形成。它在不同哺乳动物中呈现出截然不同的大小，人类脑皮层中有着大量的褶皱，这使得小小的脑袋中竟能装下约 1000 亿个神经元。此前研究人员发现，脑区的褶皱程度和人们的认知能力呈正相关，即褶皱程度越高，认知能力越强。

更多精彩内容请登录https://www.innov100.com官方网站

或扫描下方二维码，点击关注微信公众号（ID：sagetimes）