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即使是大脑中最简单的神经元网络，也由数百万个连接组成，理解这些庞大的网络对于揭示大脑运作机制至关重要。

近日，由艾伦脑科学研究所、哈佛医学院和Flanders神经电子学研究中心（NERF）的R. Clay Reid、Wei-Chung Allen Lee和Vincent Bonin领导的国际团队，公布了迄今为止最大规模的大脑皮层神经元连接网络，揭示了大脑网络组织机制的多个关键要素。该研究成果发表于2024年3月28日《自然》（Nature）杂志。

艾伦脑科学研究所资深研究员R. Clay Reid博士表示：“这是近十年前启动的研究项目的高潮。大脑网络庞大且复杂，难以零散理解，因此我们采用高通量技术收集了大脑活动和神经布线的海量数据。这一努力极为值得，我们正在获得关于大脑网络结构及其功能关联的丰富信息。”

论文主要作者、哈佛医学院神经生物学讲师Wei-Chung Lee博士指出：“尽管本研究是神经科学领域的里程碑，但这只是开始。通过揭示神经回路布线与神经元网络计算的关系，我们现在拥有了逆向工程大脑的工具。”

Flanders神经电子学研究中心项目负责人Vincent Bonin补充道：“数十年来，研究人员分别研究大脑活动和神经布线。我们的成果首次以前所未有的细节将这两者连接起来，将神经电活动与纳米级突触连接关联。”

Lee博士进一步指出：“我们在大脑皮层网络中首次发现了模块结构的解剖学证据，以及神经元间功能特异性连接的结构基础。我们的方法能够定义神经回路的组织原理，并为发现大脑皮质连接模体（motif）做好了准备，这些模体可能是大脑皮层网络功能的基本构件。”

在具体实验中，Lee和Bonin首先在小鼠视觉皮层中鉴别了对特定视觉刺激（如屏幕上的竖条或横条）有响应的神经元。Lee随后制作超薄脑切片，捕获目标细胞和突触的数百万张详细图像，并进行三维重建。美国两海岸的注释团队通过3D图像追踪单个神经元及其连接。

数据分析结果显示，首次获得了直接结构证据：执行相似任务的神经元更可能彼此连接，且这些连接比执行不同任务的神经元间的连接更大。即使这些神经元与执行不同功能的其他神经元缠结在一起，功能相关的连接仍然更为显著。

Reid博士总结道：“本研究独特之处在于结合了功能成像与详细显微镜学，微观数据达到了前所未有的规模和细节。我们先了解特定神经元的功能，再观察其与执行相似或不同任务的神经元的连接方式。”

他形象比喻：“这就像一个乐手随机就坐的交响乐团。如果只听附近的音乐家，难以理解整体音乐。只有听每个人，才能理解音乐的全貌；如果进一步了解每个音乐家听谁的，也许能揭示他们如何创作音乐。大脑没有‘指挥’，神经元间需要沟通。”

该研究为理解大脑皮层神经网络的结构与功能关系提供了重要基础，将推动神经科学领域的进一步发展。

参考文献：Nature, 2024年3月28日