2024年5月，喺一項開創性嘅研究入面，Google Research 同 Harvard University 合作，以前所未有嘅精度，繪製出人體一立方毫米大腦皮層組織嘅完整連接圖譜。呢一成果以《A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution》為題，發表喺《Science》雜誌上，係迄今為止最詳盡嘅人類腦神經網絡重建。
體積極細，但複雜程度驚人
呢一部分腦組織嚟自一名45歲女性喺治療癲癇手術中切除嘅皮層組織，體積僅約 1 mm³（約係一粒米粒大小嘅一半），但卻包含咗約 57,000 個細胞（其中包括大約 16,000 個神經元、32,000 個神經膠質細胞、8,000 個血管細胞）、150,000,000 個突觸連接，以及約 230 mm 嘅血管長度。
研究團隊使用多束掃描電子顯微鏡將組織切成超過 5,000 片、厚度僅 30–34 納米，生成咗海量二維圖像，耗時近 326 天 Google Research。隨後，Google 開發嘅 AI 演算法負責自動拼接、分割、識別同三維重建，並生成最終連接圖譜，整個資料規模高達 1.4 petabytes，相當於 14,000 部 4K 影片。
皮層最深層包含細胞簇，呢啲細胞簇往往以鏡像方向排列。呢幅圖展示咗一對特別對稱嘅細胞簇。圖片來源：谷歌研究院和哈佛大學Lichtman實驗室。效果圖由哈佛大學嘅D. Berger繪製。
解鎖大腦微觀結構嘅重要發現
- 極強連接神經元：超過 96% 嘅突觸只存在單一連接，但研究中發現，多達 50 余個突觸連接 集中喺同對神經元之間，遠高於常規認知。
- 鏡像結構神經元：部分錐體細胞呈現對稱鏡像分布，不同方向嘅樹突形態似乎成對排列，可能揭示結構組織嘅新法則。
- 軸突「漩渦」結構：一些軸突呈複雜打結式盤繞，形成前所未見嘅微觀結構，現時功能仲未明。
研究負責人 Jeff Lichtman 評價：「我哋喺呢套數據入面發現咗太多教科書外嘅現象，呢啲表明我哋對大腦嘅理解仲遠遠唔夠。」
十年工程，技術同協作嘅結晶
呢項成果背後係 Harvard 同 Google 長達十年嘅合作。Harvard 嘅 Lichtman 實驗室早期進行果蠅、大鼠、斑馬魚等 connectome 繪製，而 Google 負責 AI 重建、數據存儲、互動可視化等核心技術支援。
Google 團隊開發咗包括 flood‑filling networks、SegCLR、TensorStore 等先進算法同存儲體系，用以高效處理同探索龐大體素資料集，呢啲工具廣泛應用喺本項目以至整個 AI 社群嘅其他應用之中。
該研究配套開源數據同互動工具 Neuroglancer，方便全球科研人員進行數據校對同深入分析。目前已有數千名世界各地科學家參與「校對」該圖譜嘅一部分。
科學意義：由結構到未來應用
呢幅人類大腦嘅微觀拓撲結構圖具備多重價值：
- 佢係大腦 connectomics 嘅標杆之作，可為理解神經元如何連接、訊號如何傳播提供基礎；
- 洞察罕見但重要嘅強連接現象，可能揭示「習得行為」形成機制，例如高度自動化嘅運動反應；
- 鏡像結構與軸突漩渦等罕見形態，可能反映未曾留意嘅神經組織法則；
- 數據開源後，將大幅促進腦科學、AI 模型靈感研究、神經退行性疾病機制探索等領域發展。
然而，要重建整個人腦仍然遙不可及。團隊預測，即使未來擴展至全腦，亦可能耗費多年時間同海量儲存，目前仍唔現實。
後續方向：面向鼠腦、跨樣本擴展
下一步研究會聚焦更大嘅動物樣本同功能映射，例如將鼠腦全 connectome 與活動響應結合。MICrONS 項目已經實現將功能同結構融合嘅初步成果，為未來「腦—行為」關聯研究奠定基礎。
團隊仲計劃使用更多人類個體嘅腦樣本，以驗證結構一致性與個體間差異，並逐步推動地圖向規模化同多樣化數據方向發展。
總結
谷歌與 Harvard 大學完成嘅呢項人類大腦一立方毫米 connectome 工程，係 neuroscience 歷史上嘅一個里程碑。透過極精細嘅切片技術、上千萬張影像自動拼接，以及 AI 驅動嘅三維重建，研究描繪出咗一個包含 57,000 個細胞、150 億連接嘅高度精密腦網絡。儘管體積微細，但圖譜細節豐富，揭示咗前所未知嘅大腦結構特徵。呢項成果唔單止係對 connectomics 嘅重大突破，亦為人類探索神經結構、行為機制同人工智能啟發開闢新路徑。
消息來源：
Scientists find 57,000 cells and 150m neural connections in tiny sample of human brain May 10, 2024
2、WIRED
This Is the Most Detailed Map of Brain Connections Ever Made