人类作为有史以来最智能的生物，其主要智能来源于人类大脑中的复杂神经网络结构。但是千百年来人类对其大脑的结构却知之甚少，探索大脑的详细构造和其对应的功能一直是现代科学家一直持续进行的不尽研究。

最新由哈佛大学和谷歌研究团队的科学家一起构建了人类大脑中一小块组织单个神经细胞尺度（纳米级）的神经元及其连接突触的3D图像，该图显示了兴奋性神经元根据距大脑表面的深度着色，其中蓝色神经元是最接近表面的神经元，紫红色标记的是最内层。图像取自大脑中约一立方毫米的3D纳米级分辨率图。尽管该图仅覆盖了大脑神经器官的一小部分（整个大脑百万分之一），包含大约 57000个细胞、大约230毫米的血管和近1.83亿个带注释的突触。这是有史以来所达到的最高分辨率的人脑图像。

为了绘制该3D图，研究小组将这一小块组织样本切成5000个切片，然后使用高速电子显微镜一一扫描这些切片。最后使用机器学习模型AI协助这些超高清的数字切片图像拼合在一起并标记特征。光原始扫描的数据集就达到了1.4 PB。 这可能是所有神经科学中计算机最密集的工作，涉及的工作量非常巨大。

此前研究中已经有很多研究制作许多其他类型的大脑图谱，但大多数提供的数据分辨率低得多。在纳米尺度上，研究人员可以一次追踪一个神经元与突触的大脑连接。为了真正了解人脑如何工作、如何处理信息、如何存储记忆，最终需要一张具有这样高分辨率的地图。

大脑图谱有多种形式。有些揭示了细胞是如何组织的。其他涵盖基因表达。这个重点关注细胞之间的连接，这个领域被称为“连接组学”。大脑的最外层包含大约160亿个神经元，这些神经元相互连接形成数万亿个连接。单个神经元可能会从数百甚至数千个其他神经元接收信息，并将信息发送到类似数量的神经元。这让追踪这些连接成为一项极其复杂的任务，即使只是研究大脑神经网络中的极小的一部分也是如此。

为了创建这张地图，团队遇到了许多障碍。第一个问题是找到脑组织样本。人死后大脑会迅速恶化，因此尸体组织无法发挥作用。为此研究小组使用了在脑部手术期间从一名癫痫妇女身上取出的一块组织，旨在帮助控制她的癫痫发作。研究人员获得样本后，小心地将其保存在树脂中，以便将其切成薄片，每片的厚度约为人类头发的千分之一。 然后他们使用专为该项目设计的高速电子显微镜对切片进行成像。

接下来是计算挑战。所有这些连接突触网格线以立体的形式在3D空间中遍布各处，形成各种不同的连接。谷歌团队使用机器学习模型将切片重新缝合在一起，就像是拼拼图一样将每个切片与其旁边的切片对齐，对接线进行颜色编码，并找到连接，最后拼在一起。5000个切片重复这样过程，如果缝合中有一处犯了错误，那么所有的连接都需要重新来拼接。

对任何人类大脑样本进行如此深入的重建的能力是一个重要的进步。该图是“目前可以获得的最接近真实情况的神经网络图。但是唯一的一个不足之处是，该神经网络图是从单个人身上采集的单个大脑的单个器官中的一部分样本，可能存在特异性，可能并不能真正反映人类大脑的普遍性。

研究团队还发现了一些惊喜的现象。例如，一些将信号从一个神经元传递到下一个神经元的长卷须形成了“螺纹”，即它们围绕自身旋转的点。轴突通常形成单个突触以将信息传输到下一个细胞。研究小组发现了形成重复连接的单个轴突——在某些情况下，形成了50个独立的突触。其中的原因尚不清楚，但牢固的联系可能有助于促进对某些刺激的快速或强烈反应。这是关于人类皮层组织的一个非常简单的发现，更多的秘密需要大家一起挖掘探索。

目前，原始数据集（H01，h01-release[dot]storage[dot]googleapis[dot]com），合成图（Neuroglancer）、数据处理使用的拼接工具CREST（github /ashapsoncoe/CREST）和研究论文（science[dot]org/doi/10.1126/science.adk4858）已经公开发布。

目前该合成图（Neuroglancer）已经免费公开发布，可供研究人员共同探索揭示人类大脑神经网络的奥秘。