思维之源：叹为观止的突触地图

编译 凌寒

想象一下有这么一张地图，它绘制出了整个银河系中的每一颗恒星。这是一张非常详细的地图，它展示了每颗恒星的样子，它们是由什么构成的，以及每颗恒星是如何通过宇宙中伟大的物理定律联系在一起的。

研究小组首先在荧光下对一只具有发光突触的小鼠进行了生物工程改造

虽然我们目前还没有这样一张关于天空的天体图，但是，多亏最近发表在《神经元》（Neuron）杂志上的一项重大研究，现在我们拥有了这样一张关于大脑的详细地图。

如果每个神经元都是一个星系，那么突触——散布在神经元的蛇形延伸上的小结构——就是它的恒星。在这项科技力作中，来自英国爱丁堡大学的一个团队构建了小鼠大脑中每个突触的首张详细地图。

在转基因小鼠中，研究小组让大脑中的每一个突触在荧光灯下发出光亮，就像繁星点点的夜空一样。正如每颗恒星各不相同，研究小组发现突触也有着很大的差异，但是这种差异显著体现在对记忆和思考的支持作用上。

人脑中的突触比银河系中的恒星还要多。大脑是我们所知道的最复杂的物体，在这个层面上理解它的联系是揭开其神秘面纱的重要一步。

这张详细地图揭示了大脑活动的基本规则。在机器学习的帮助下，研究小组大致将大脑中约10亿个突触划分为37个亚型。出乎意料的是：当一组神经元接收到电信号时，例如试图在问题的不同解决方案之间做出选择时，独特的突触亚型就会在一致被激活的不同神经元之间伸展开来。

换句话说，突触有着不同的类型。每种类型都可以控制一种想法、一个决定或一段记忆。

神经科学推特圈沸腾了。

“哇！”明尼苏达大学的本·桑德斯（Ben Saunders）博士简单明了地评论道。

神经遗传学家凯文·米切尔（Kevin Mitchell）博士写道，这是一篇了不起的论文，它对整个小鼠大脑中突触亚型的多样性和分布进行了分类。它强调了这样一个事实，即突触是神经系统中关键的计算单元。

神经连接体连接

该研究小组对构建小鼠大脑首个完整的突触目录“突触体”的兴趣源于一个更宏大的项目：神经连接体。

简而言之，神经连接体就是你体内所有的神经元连接。根据承现峻博士在TED演讲中的介绍，神经连接体即你之所以为你——你的记忆，个性，你的推理和思考方式的生物学基础。采集到神经连接体，有一天科学家们也许能够重建你——一种被称为全脑仿真的东西。

显微镜成像显示出大脑切片上的两种发光突触蛋白，PSD-95和SAP102

然而神经连接体仅仅描述了神经元之间是如何进行功能对话的。但是，神经连接体在大脑中的物理编码在哪里呢?

我们走进突触看一看。神经科学家早就知道，突触通过化学物质和电流在神经元之间传递信息。也有迹象表明突触在所含蛋白质方面存在巨大差异，但传统上这种差异大部分都被忽略了。直到最近，大多数科学家都认为，真正的计算发生在神经元体——神经元的球状部分，分支即从这个部分伸出。

到目前为止，还没有一种方法可以观察到整个大脑突触的形态和功能，作者解释道。当然啦，我们也一直致力于在小范围内绘制这些关键连接点。

“突触体地图可以用来询问突触的空间分布（的不同）是否与神经连接体架构有关。”研究团队推断道。

如果是这样的话，未来的大脑仿真器可能最终会有一些实实在在的东西去掌握。

SYNMAP

为了构建小鼠突触体，论文作者开发出了一个他们称之为SYNMAP的流程。他们从转基因小鼠入手，这些小鼠的突触会发出不同的颜色。每个突触都富含不同种类的蛋白质，其中，PSD-95和SAP102是最为突出的两个成员。论文作者在这些突触中加入了发光的蛋白质，这些蛋白质本质上就像点燃了大脑中每一个突触的火把。

接着，他们煞费苦心地把大脑切成薄片，用显微镜捕捉到大脑不同区域中突触的图像，然后将这些照片再拼凑起来。

对于外行人来说，神经突触的图像看起来就像密密麻麻的星图。将所有突触进行分类超出了任何人类研究者的能力和所能承受的时间付出，因此该研究团队利用了新的机器学习分类技术，开发出了一种算法，该算法无须人类监督即可自动解析这些数据——超过10万亿字节的数据。

物质化的神经连接体

研究小组一下子就被发光突触组成的“精致图案”震撼了。一种做了标记的蛋白质——PSD-95——似乎游荡在大脑更偏表面的部分，那里负责更高的认知功能。尽管也有重叠，但是其他发光蛋白质更倾向于聚集在大脑内部区域。

大脑横截面图显示了每个区域最常见的突触亚型。每种颜色代表不同的突触亚型。“4号方框”标出了海马体

经过仔细观察，他们发现这两种发光的蛋白质代表不同的突触类型，论文作者解释道。大脑的每个区域都有一个典型的“突触体签名”。就像指纹有着不同的形状和大小一样，大脑的不同区域似乎也有着含有不同蛋白质组成、大小和数量的突触。

利用内部开发的机器学习算法，研究小组将突触分为37个亚型。值得注意的是，大脑中与高级推理和思维能力相关的区域同样也包含有最为多样化的突触群体，而像脑干这样的“爬行脑区域”，其突触亚型则更为整齐划一。

为什么？

为了弄明白突触的多样性是否有助于信息处理，研究小组使用计算机模拟来观察突触是如何对海马体内——大脑中海马形状的区域，对学习和记忆至关重要——常见的电模式做出应答的。海马体是突触亚型表现出显著多样性的区域之一，每个亚型都以惊人的模式在大脑结构中延伸开来。

每一种行为都会激活一个特定的突触体，每一个突触都像是思维过程的独特指纹

值得注意的是，每种类型的电子信息处理都转换成一个独特的突触图谱——输入改变，突触体则随之改变。

这表明大脑可以使用相同的大脑区域处理多重电信息，因为不同的突触体被募集了。

当小鼠试图在3种选项中选择其一以获得奖励时，它们的电模式被记录了下来，研究小组使用这些电模式进行试验后发现了相似的结果。当小鼠进行了正确或错误的选择，不同的突触体则会被激活。就像一副进入了思维内部的地图一样，突触体生动地描绘出了小鼠做出选择时的所思所想。

突触体重新编程

就像计算机代码一样，突触体似乎是计算输出（一个决定或想法）的基础。那么，如果代码搞砸了怎么办?

突变可以改变突触体，并可能导致精神疾病

精神疾病通常会有影响突触中蛋白的遗传因素。使用表现出类似精神分裂症或自闭症症状的小鼠，研究小组绘制出了它们的突触体图，并且发现了大脑中各种突触亚型结构和连接方式的巨大变化。

例如，在对某些正常的大脑电模式发生应答时，突变小鼠大脑中一些突触体图仅仅是若隐若现的，而另一些则变得异常强烈。

论文作者总结说，似乎某些精神疾病“重新编程”了突触体。事实上，更强烈或新的突触体图可能是精神分裂症患者产生错觉和幻觉的原因。

那么，你即你的突触吗？

也许吧。你的本质——记忆、思维模式——似乎被蚀刻在不同的突触是如何激活并对输入做出应答上。就如同是记忆与决定的指纹一样，突触体可以被“读取”来解读这种想法。

但是正如论文作者们所承认的，这项研究仅仅是个开始。发表论文的同时，研究小组推出了一个突触体浏览器工具，以帮助神经科学家进一步理解突触和人之间错综复杂的关系。

“这张地图打开了大量新研究的途径，这些新研究将改变我们对于行为和脑部疾病的理解。”格兰特说道。

资料来源 singularityhub.com