Science封面重磅！3981小时重建了500000立方微米小鼠大脑，人造神经网络里程碑式研究！

研究人员获得了34221个突触前轴突突起和11400个突触后突起之间的连接组（图3）。rHK安检之家

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图3：突触后目标类和密集皮质连接组。rHK安检之家

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是否可以仅从轴突和树突的几何结构中得出这些局部连接规则呢？研究人员首先量化了轴突和树突的空间分布与它们之间的突触建立之间的整体关系（图5）。rHK安检之家

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图5：神经突的几何形状和膜可用性对皮层神经连接布线的影响。rHK安检之家

讨论：基于获取的密集大脑电路重建，研究分析突出可塑性模型rHK安检之家

使用FocusEM，研究人员从哺乳动物的大脑皮层中获得了第一个密集电路重建，这比以前的皮质中密集重建约大300倍，这个规模足以分析亚细胞内部轴突的轴突模式，优先支配某些突触后亚细胞区室的抑制性轴突类型可以仅基于连接的拓扑学信息来定义（图3和4）。rHK安检之家

除了抑制性轴突，一部分兴奋性轴突也表现出这种亚细胞内分泌偏好（图4）。轴突和树突的几何排列仅解释了一部分突触内部变化，从而取消了皮质布线的粗略随机模型（图5）。L4中大量的TC突触梯度在单个皮层树突状细胞的水平上增强了突触输入成分的异质性（图6），同时伴随着来自AD优先抑制性输入的内源性降低。轴突和树突对之间突触大小的一致性表示电路的各个部分与饱和突触可塑性相一致，为电路的“学习”部分设置了上限（图7）。FocusEM可以使能够进行连接体筛选的通量对大脑皮层中的电路进行密集映射。rHK安检之家

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图7 塑性一致的连接组映射rHK安检之家

沿着L4树突的突触输入组成rHK安检之家

研究发现，L4兴奋性细胞的TC输入增强的协变，与来自AD优先IN的直接抑制输入的减少的协变（图6，H至K），可以在先前描述的抑制电路中找到解释。考虑到生长激素抑制素（SST）阳性IN优先靶向ADs和首选小体白蛋白（PV）阳性IN，这可能意味着基于SST IN的去抑制作用可以通过抑制前馈抑制所募集的过氧化物PV输入来增强TC输入，并同时降低来自SST IN的直接抑制成分。无论如何，这种针对树突状突触输入变化的发现指向一种电路配置，其中在皮质层4中相同兴奋类型的神经元之间，TC输入变异性得到了增强，并且还为基于树突状突触的输入组成的异质性增强提供了证据。rHK安检之家

连接组的可塑性路径rHK安检之家

研究人员根据可能经历过某些塑性模型的突触对的上限，解释了联合突触数据（图7）。尽管此分析检测到那些暴露于饱和可塑性的突触对（即可能的可塑性事件导致两个突触的最终重量状态），但另一种解释是动态电路，在任何给定时间点，仅一部分突触已经表现出饱和可塑性，而其他（或全部）突触正在经历塑性变化。研究人员期望整个电路的更精细的可塑性模型也将做出可测试的预测，通过连接组快照实验可以访问该预测。rHK安检之家

人造神经网络里程碑式研究，有望推进全球相关的研究计划rHK安检之家

该研究提出的方法和结论，为从各种皮质、层、物种、发育阶段、感觉经验和疾病状况出发，进行神经组织的结缔组织筛选开辟了道路。即使是一小块哺乳动物的皮质神经元，其形成的相关密度也很高，以至于可以提取出回路“学习性”可能的组学特征，这一事实使该方法有望成为研究哺乳动物神经系统的结构设置的方法。rHK安检之家

经过近十年的工作，研究人员对他们的成就充满热情。Helmstaedter说：“能够获取一块皮层，进行艰苦的处理，然后从那个美丽的网络中获取整个通信图，这是我们过去十年来一直在努力的工作。”rHK安检之家

他还表示，“在大脑皮层中映射神经元网络的目标是一次重大的科学冒险，也是因为我们希望能够提取有关大脑如何成为如此高效计算机的信息，这与当今的AI不同。”rHK安检之家

不仅如此，这项计划还有望推动全球的相关研究计划的进展。Helmstaedter提到了包括Google在内的主要参与者的研究领域以及美国情报机构(IARPA)的研究计划，“全球主要计划都希望从生物神经网络中了解人造神经网络的未来。我们为获得第一个里程碑而感到自豪，这是使用最大的普朗克学会的公共资金，实现了致密的本地皮层连接组”。