要協(xié)調(diào)身體的無數(shù)功能、行為和思想，需要大量的神經(jīng)元協(xié)同行動。創(chuàng)新的神經(jīng)科學技術(shù)使研究人員能夠?qū)ｉT刺激動物體內(nèi)選定的神經(jīng)元組，并無創(chuàng)地測量它們?nèi)绾渭せ畲竽X的其他部分。腦成像技術(shù)的進步揭示了解剖投影和功能連接模式，使我們能夠?qū)崟r看到它們的激活。

通過更好地了解正常大腦連接的復雜性，我們可以更多地了解當它們被打亂時會出現(xiàn)什么問題。各種生物體中的連接模式開始揭示從最簡單的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)到多層、多核哺乳動物大腦的進化步驟。如果沒有順暢運行的連接，大腦只不過是一堆神經(jīng)元，所以“沒有一個神經(jīng)元是孤島”。

近日，Science雜志推出特刊，用4篇綜述講述了大腦的連接性。

01 使用Atlas的數(shù)據(jù)繪制大腦的連接和架構(gòu)圖

詳細了解大腦區(qū)域之間的神經(jīng)連接是促進我們理解正常大腦功能以及隨著衰老和疾病而發(fā)生的變化的關(guān)鍵。研究人員使用一系列實驗技術(shù)來繪制嚙齒動物模型中不同尺度級別的連接，但結(jié)果往往難以比較和整合。大腦的三維參考圖譜為跨研究積累、整合和重新解釋研究結(jié)果提供了新的機會。

在這里，作者回顧了在嚙齒動物腦圖譜中整合描述神經(jīng)連接和其他模式的數(shù)據(jù)的方法，并討論了基于圖譜的工作流如何促進與神經(jīng)架構(gòu)的其他方面相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組織的全腦分析。

圖1. 數(shù)據(jù)集成和基于Atlas的分析的工作流程。

Atlas在這項工作中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。它們提供解剖位置的標準化表示，并嵌入軟件工具中以進行集成和分析。通過圖譜框架，可以直接與來自大規(guī)模繪圖工作的數(shù)據(jù)進行比較。大腦連接和大腦結(jié)構(gòu)研究的新范式通常是將研究數(shù)據(jù)帶入相同的參考空間，共享數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)重新分析和重新解釋我們對大腦的理解準備數(shù)據(jù)。隨著這些新方法被引入神經(jīng)科學，文獻挖掘可以通過對出版物中包含的解釋背后的數(shù)據(jù)的強大挖掘來補充。

02 通過計算建模和光遺傳學fMRI解決腦回路功能和功能障礙

我們能否構(gòu)建一個大腦功能模型，以了解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的全腦回路機制，并用它來預測治療干預的結(jié)果？神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理學是如何與腦回路和腦功能相關(guān)的？

在這篇綜述中，作者討論了迄今為止使用的方法以及可以探索以回答這些問題的未來方向。通過將光遺傳學功能磁共振成像 (fMRI，圖2) 與計算建模相結(jié)合（圖3），細胞類型特異性、大規(guī)模腦回路功能和功能障礙開始被量化參數(shù)化。作者設(shè)想這些發(fā)展將為直接恢復大腦功能的系統(tǒng)工程方法的未來治療發(fā)展鋪平道路。

圖2. 光遺傳功能磁共振成像跨越尺度。

圖3. 核磁共振數(shù)據(jù)的計算建模揭示了全腦功能交互動力學。

這些最近在細胞類型特異性神經(jīng)調(diào)節(jié)、全腦功能成像和計算建模方面取得的進展開始為神經(jīng)科學的重大轉(zhuǎn)折點鋪平道路。本文作者的目標是建立模擬大腦功能的新方法，可以復制和預測感興趣的行為。這將改變包括帕金森病在內(nèi)的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療方式。

03 規(guī)模很重要：嵌套的人類連接組

全面描述神經(jīng)元和整個大腦區(qū)域如何相互連接對于從機制上理解大腦功能和功能障礙至關(guān)重要。在擴散磁共振成像和纖維束成像的基礎(chǔ)上，神經(jīng)成像已經(jīng)形成了接近人腦連接的方式。與此同時，偏振、熒光和電子顯微鏡變得可用，這將空間分辨率和敏感性推到了軸突甚至突觸水平。必須采用新的方法來通過區(qū)域、高分辨率連接數(shù)據(jù)和局部纖維幾何形狀來通知和約束全腦纖維束成像。

機器學習和模擬可以在缺少實驗數(shù)據(jù)的情況下提供預測。未來的可互操作atlases需要新概念，包括高分辨率模板和方向性，以表示纖維束造影解決方案的變體和對其準確性的估計。

圖4. 人腦纖維結(jié)構(gòu)。

將其作為一個有趣的概念，作者不僅將連接組視為一個多尺度系統(tǒng)，其中每個尺度具有不同的特征，而且作為一個具有重復屬性的系統(tǒng)。然而，要揭示實驗可訪問的尺度范圍內(nèi)的連通性原理，換句話說，要描述人腦的“嵌套性”，需要批判性地重新審視該方法，包括纖維束造影。未來的纖維束成像可以逐步的從較低的分辨率移動到較高的分辨率，同時了解下一個更高分辨率的區(qū)域特性和纖維的基本幾何形狀。

04 連接大腦的特性

大腦連接不僅僅是大腦區(qū)域之間的信號傳輸。行為和認知通過皮層區(qū)域相互作用而出現(xiàn)。這需要由密集連接的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的本地和遠程區(qū)域之間的集成。大腦連接決定了大腦的功能組織。活體大腦中連接的成像為識別認知神經(jīng)生物學背后的驅(qū)動因素提供了機會。物種之間和人類之間的連通性差異進一步加深了對大腦進化和不同認知特征的理解。大腦病理通過斷開連接放大了這種可變性，從而導致認知功能的瓦解。長期癥狀的預測現(xiàn)在優(yōu)先基于大腦斷開連接。這種范式轉(zhuǎn)變將重塑我們的大腦地圖并挑戰(zhàn)當前的大腦模型。

圖4. 通過斷開連接導致大腦功能瓦解。

總 結(jié)

展望未來，我們需要通過開發(fā)專用軟件來鞏固這些新概念，這為我們提供了額外的資源來加強我們的觀察。這些發(fā)展將包括，例如，可以在相同的潛在空間中表示高維數(shù)據(jù)的工具，作為跨尺度、跨物種和跨成像模式同時考慮個體水平的神經(jīng)變異性以捕獲因素相互作用。為此，研究人員應該建立專業(yè)網(wǎng)絡(luò)、整合思想并公開共享數(shù)據(jù)。

總之，這些努力將推動大腦連接研究整合跨成像模式，制定新的框架并促進我們對大腦發(fā)育和進化的理解。這種共同努力將推動我們目前的前沿研究，并開創(chuàng)先進的神經(jīng)影像學方法、個性化解剖模型和臨床影響。

原文鏈接：

https://www.science.org/toc/science/378/6619

編譯作者：Ayden（brainnews創(chuàng)作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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