WEBVTT

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纵使成千上万的神经生物学家孜孜不倦地探索

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我们对大脑运作的认知却仍如雾里看花

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毕竟，我们试图解开的

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可是已知宇宙中
最令人着迷、最复杂的奥秘之一

00:00:15.580 --> 00:00:20.560
揭示这个小小的器官
如何主宰我们的一切情感和思维

00:00:20.560 --> 00:00:23.420
还有什么比这更令人神往的课题呢？

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Google研究团队 vs 人类大脑

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“连接组学”这个词的诞生算是我们的无心插柳

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只是基于“基因组学”的小小文字游戏

00:00:44.420 --> 00:00:46.530
基因组学志在绘制所有基因的图谱

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而我们设想，或许也能绘制出
神经细胞之间所有连接的图谱

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破解大脑奥秘
显然是一个生物学问题

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然而，要绘制出庞大的完整大脑图谱

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离不开成像、计算机科学
和软件开发等多学科的协同发力

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别看人脑体积不大

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但若以纳米级分辨率仔细观察

00:01:08.330 --> 00:01:11.260
数据量却如宇宙般浩瀚，足有1EB之巨

00:01:11.260 --> 00:01:13.369
EB是什么概念？相当于1000个PB

00:01:13.369 --> 00:01:16.170
也就是100万个TB，天文数字般的存在

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如果现在就要绘制整个人脑图谱

00:01:18.660 --> 00:01:21.860
可能需要耗费数百年时间和无数金钱

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因此我们深知， 应从简单生物的大脑着手

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在未来一二十年内
我们或许有望揭开它们的奥秘

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首个“连接组”图谱绘制的对象

00:01:33.340 --> 00:01:36.140
是一种名为秀丽隐杆线虫的生物

00:01:36.280 --> 00:01:40.048
之所以选择它，是因为它神经元数量极少

00:01:40.048 --> 00:01:42.077
仅有300个

00:01:42.077 --> 00:01:45.806
绘制这种生物的神经元图谱
十分考验耐心与细致

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首先，用电子显微镜拍摄线虫切片
获得高分辨率图像

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然后将图像打印成大型显微照片

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再以人工方式逐一标注

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手持标记笔

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在一张张显微照片上
追踪神经纤维的走向

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从一张照片到下一张

00:02:00.280 --> 00:02:02.344
不厌其烦地勾勒出每根纤维

00:02:02.344 --> 00:02:04.597
在整个神经系统中的完整路径

00:02:04.630 --> 00:02:05.740
从某种意义上说

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对线虫的研究真正让科学界
认识到绘制“连接组”图谱的艰巨性

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一个小小的线虫
区区302个神经元，却耗费了10年之久

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这让科学家们一度裹足不前

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在接下来的20年里
几乎无人敢再涉足这一领域

00:02:16.680 --> 00:02:18.260
直到21世纪初

00:02:18.260 --> 00:02:21.540
连接组图谱绘制的技术瓶颈才得以突破

00:02:21.540 --> 00:02:23.110
研究前景豁然开朗

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我们的下一个目标：果蝇大脑！

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果蝇不仅行为复杂多样，更拥有学习和记忆能力

00:02:30.830 --> 00:02:33.640
而它们的大脑却只有区区10万个细胞

00:02:36.120 --> 00:02:38.336
随着研究人员开始绘制果蝇大脑图谱

00:02:38.336 --> 00:02:40.220
他们产生了海量的原始数据

00:02:40.220 --> 00:02:44.210
要将这些原始数据
转化为生物学家可利用的知识

00:02:44.210 --> 00:02:46.500
需要经过很多不同的计算步骤

00:02:46.950 --> 00:02:49.960
可以说，如果没有Google研究团队的鼎力相助

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我们的研究恐怕难以成功

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他们拥有处理海量数据的
专业知识和强大的计算能力

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如果没有我们和合作伙伴引入的技术

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即使是果蝇大脑的图谱绘制

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也需要数百万小时的人力投入

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我们首先要攻克的难题

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就是所谓的“分割”或“追踪”问题

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简单来说，我们有了
大脑中所有神经纤维的三维数据

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但对每根纤维的身份及其走向，我们一无所知

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我们研发了一种3D卷积神经网络

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旨在大幅提升3D神经元自动追踪的效率

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它名为“泛洪填充网络”

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是一种着色算法

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它为每根纤维“注入”颜色
颜色逐层”下浸“，直至整个立体结构完整呈现

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就如同向管道中注入颜料

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不仅如此，我们还开发了一款
名为Neuroglancer的可视化软件

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有了它，人们终于可以在浏览器中
轻松查看这些数据集及其3D重建模型

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绘制果蝇大脑图谱的重要启示之一

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就是神经元的结构与其功能息息相关

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神经元的形状以及它们之间的连接方式

00:04:00.960 --> 00:04:04.190
都为我们深入了解大脑运作提供了重要线索

00:04:04.190 --> 00:04:06.330
也让我们得以窥见
各个神经元扮演的角色

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在此次研究之前，这些都不为人所知

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现阶段，我们着力寻求尺度的突破

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完整的老鼠大脑就是
连接组学研究顺理成章的下一个目标

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毕竟，老鼠大脑虽比果蝇大1000倍

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但仍然只有人脑的千分之一

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在电子显微镜下观察
老鼠的大脑与人类的大脑惊人地相似

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简直就是人脑的微缩版

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不过，绘制完整的老鼠大脑图谱绝非易事

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需要我们在成像技术
与计算基础设施领域实现双重突破

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绘制完整的老鼠大脑图谱
可能是一把打开人脑奥秘的钥匙

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一旦我们掌握了大脑储存信息的本质

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或许就无需再绘制整个人脑图谱

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令我心潮澎湃的是，在不远的将来

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我们将能透彻理解记忆的形成机制

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洞察精神障碍或疾病的本质

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但要实现这一目标
我们还需建立一个更先进的技术体系

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让几十年前人们的科幻畅想照入现实