一年前，在一项开创性研究中，Google Research 与 Harvard University 合作，以前所未有的精度，绘制了人体一立方毫米大脑皮层组织的完整连接图谱。这一成果于 2024 年发表于《Science》期刊，是迄今为止最详尽的人类脑神经网络重建。
极小体积，却复杂程度惊人
这一部分脑组织来自一名45岁女性在治疗癫痫手术中摘除的皮层组织，体积仅约 1 mm³（约是一粒米粒大小的一半），但却包含了约 57,000 个细胞（其中包括大约 16,000 个神经元、32,000 个神经胶质细胞、8,000 个血管细胞）、150,000,000 个突触连接，以及约 230 mm 的血管长度。
研究团队使用多束扫描电子显微镜将组织切成超过 5,000 片、厚度仅 30–34 纳米，生成了海量二维图像，耗时近 326 天（ Google Research）。随后，Google 开发的 AI 算法负责自动拼接、分割、识别、三维重建，并生成最终连接图谱，整个数据规模高达 1.4 petabytes，相当于 14,000 部 4K 影片。
皮层最深层包含细胞簇，这些细胞簇往往以镜像方向排列。这幅图展示了一对特别对称的细胞簇。图片来源：谷歌研究院和哈佛大学利希特曼实验室。效果图由哈佛大学的D. Berger绘制。
解锁大脑微观结构的重要发现
- 极强连接神经元：超出 96% 的突触只存在单一连接，但研究中发现，多达 50 余个突触连接集中在同对神经元之间，远高于常规认知。
- 镜像结构神经元：部分锥体细胞呈现对称镜像分布，不同方向的树突形态似乎成对排列，可能揭示结构组织的新法则 。
- 轴突“漩涡”结构：一些轴突呈复杂打结式盘绕，形成前所未见的微观结构，目前功能尚不明 。
研究负责人 Jeff Lichtman 评价：“我们在这套数据里发现了太多教科书外的现象，这表明我们对大脑的理解还远远不够”。
十年工程，技术与协作的集合
这一成果背后是 Harvard 与 Google 长达十年的合作。Harvard 的 Lichtman 实验室早期开展果蝇、大鼠、斑马鱼等 connectome 绘制，而 Google 负责 AI 重建、数据存储、交互可视化等核心技术支持。
Google 团队开发了包括 flood‑filling networks、SegCLR、TensorStore 等先进算法与存储体系，用以高效处理和探索庞大体素数据集，这些工具广泛用于本项目乃至 AI 社区其他应用。
该研究配套开源数据和交互工具 Neuroglancer，可供全球科研人员进行数据校对与深入分析。目前已有数千名世界各地科学家参与“校对”该图谱的一部分。
科学意义：从结构到未来应用
这幅人类大脑的微观拓扑结构图具有多重价值：
- 它是大脑 connectomics 的标杆之作，可为理解神经元如何连接、信号如何传播提供基础；
- 洞察罕见但重要的强连接现象，可能揭示“习得行为”形成机制，例如高度自动化的运动反应；
- 镜像结构与轴突漩涡之类罕见形态，有可能反映未曾注意的神经组织法则；
- 数据开源后，将极大促进脑科学、AI 模型灵感研究、神经退行性疾病机制探索等领域的发展。
然而，重建整个人脑仍遥不可及。团队预测，即便未来扩展至全脑，也可能耗费多年时间和海量储存，目前仍不现实 。
后续方向：面向鼠脑、跨样本扩展
下一步研究将聚焦更大动物样本和功能映射，例如鼠脑全 connectome 与活动响应结合。MICrONS 项目已实现将功能与结构融合的初步成果，为未来“脑—行为”关联研究奠定基础。
团队还计划使用来自更多人类个体的脑样本，以验证结构一致性与个体间差异，并逐步推动地图向规模化和多样性数据方向迈进。
总结
谷歌与 Harvard大学完成的这项人类大脑一立方毫米 connectome 工程是 neuroscience 历史上的里程碑。通过极精细的切片技术、上千万张图像自动拼接，以及 AI 驱动的三维重建，研究描绘出了一个包含 57,000 个细胞、150 亿连接的高度精密脑网络。尽管体积微小，但图谱细节丰富，揭示了前所未知的大脑结构特征。这项成果不仅是对 connectomics 的重大突破，也为人类探索神经结构、行为机制和人工智能启发开辟了新路径。
消息来源：
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