脑成像一样大行动,台湾似乎很小。科学家们也有研究不起眼的果蝇,逆向工程其大脑从单一神经元的图像。他们的努力产生了3 d地图的大脑回路惊人的细节。

研究人员只需要一个电脑鼠标和web浏览器在单个细胞和缩放回神经束的错综复杂的网络。tapestry的布线图看起来像五颜六色的线程,它们足够清晰显示细胞集群控制特定的行为。通过刺激特定神经回路,研究人员可以提示一个飞往扇动左翼或摇摆它的头从一边到另一边的壮举,唤醒傍晚时分在11月举行的人群的神经科学学会的年会上在圣迭戈,加利福尼亚。

但即使是这样的小生物,它采取了团队形象60000个神经元的整整十年,1 g的每个细胞的速度,项目领导人Ann-Shyn蒋介石说,国立清华大学神经学家新竹市台湾——这甚至不是一半的神经细胞果蝇大脑。使用相同的协议形象860亿年人类的大脑神经元需要估计有1700万年,蒋介石在会议上报告。

扩散磁共振成像的许多数据类型只是一个科学家正在研究大脑如何处理将成为关注焦点。信贷:范Wedeen / Martinos中心生物医学成像/哈佛医学院

其他技术问题就更容易处理。2016年7月,一个国际研究小组发表的地图人类大脑的皱巴巴的外层,大脑皮层1。许多科学家认为结果是迄今为止最详细的人类brain-connectivity地图。然而,即使在最高空间分辨率(1立方毫米),各体素- 3 d对象的最小的元素,包含成千上万的神经元。相去甚远的神经连接,映射在果蝇的单细胞的决议。

“如果你认为大脑解剖学是一个解决问题,把它从我们——它不是,”Van Wedeen说,马萨诸塞州总医院神经学家查尔斯顿和人类连接体项目的主要研究者(HCP),全球US-government-funded财团大脑地图出版。

所以它在神经生物学的世界,大数据是真正,宏伟地大。尽管先进的计算基础设施和数据传输,神经学家继续应对他们的版本的“大数据”几十年前革命席卷基因组学领域。

但大脑映射和DNA测序是不同的野兽。单一神经影像数据集可以测量tb - 2 - 3数量级大于一个完整的哺乳动物的基因组。而遗传学家知道他们什么时候完成解码一段DNA,大脑映射器缺乏明确的停车点和对付更丰富的成像和电生理数据的最好方法——同时争论收集、分享和解释它们。作为科学家开发工具来共享和分析不断扩大的神经科学数据集,然而,他们来到一个共享的实现:破解大脑需要共同努力。

科学家可以在不同层次图大脑。HCP试图映射大脑连接在宏观范围内,使用磁共振成像(MRI)。一些实验室映射神经追踪在微观层面,而另一些,如蒋介石的,跟踪每一个突触和神经分支与纳米级精度。还有一些人正在努力覆盖的基因表达模式,电生理测量或其他功能数据的地图。方法使用不同的方法,但所有创建大数据(见“大数据的数据”)。

有多大?

在某种程度上,这是因为大脑,不管这个物种,如此大的和相互联系的。但它也源于细胞的笨拙的维度。哺乳动物的神经元的主要扩展-其轴突可以200000倍长最小的分支,称为树突,是宽。如果比例模型构建,这样面条链代表树突,神经元本身会超过三分之一的一公里长,四个美式足球领域。

在实验室中,研究人员图表每个神经元通过堆栈跟踪其成千上万的预测数以百计的重叠脑切片图像。光学显微镜提供0.25 - -0.5微米的分辨率,这足以跟踪单个神经元的主体。但揭示突触——那一刻信号连接通过电或化学信号流——nanometre-resolution电子显微镜是必需的。高分辨率意味着较小的领域来看,所以更多的图片。和更多的照片意味着更多的数据。

“我们不再处理字节,甚至g”说Arthur Toga神经成像实验室负责人在洛杉矶南加州大学。“我们处理字节。刚刚从一个地方到另一个是一个问题”- 2 tb的数据填补许多台式电脑的硬盘。

如果你认为大脑解剖学是一个解决问题,把它从我们——它不是。

蒋介石的果蝇团队梳理1000 tb的图像重建神经细胞——的不到1%果蝇大脑。和人类大脑皮层映射,HCP人员分析6 tb的MRI数据从210名健康的年轻成年人,卡米尔Ugurbil说HCP明尼阿波利斯明尼苏达大学的首席研究员。实验室可以从项目的网站或下载这些数据,对于较大的数据集,秩序8-terabyte硬盘给我们200美元。

电生理学研究也成为计算要求。今天,研究人员经常记录数以百计的神经元。很快,这将是成千上万;在过去5年中,成千上万,大学的神经学家亚历山大·Pouget说在瑞士日内瓦。“这样的飞跃我们会经历的。”

这些数据有多种格式。大脑活动可以在电生理图作为峰值出现在曲线,或绿色闪光的钙离子进出的神经元。那些绿色的图片,其他荧光色调可以显示发送和接收信号的神经元。和研究人员可以收集这些数据是迷宫,找到食物或者看闪烁的点在屏幕上。

如果你20分钟记录小鼠大脑的神经活动,生产约500 pb的“闪烁”,表示为神经细胞放电的像素值的变化,在剑桥的哈佛大学的神经学家Florian Engert说。但“没人在乎像素。人们感兴趣的神经元连接到其他人,当他们火。“通过隔离每个神经元和分配记下火,他说,你可以缩小一个更易于管理的500字节的数据集。

“原始数据的信息内容主要是无关紧要的,“Engert说。他与基因组测序一个类比:DNA自动测序仪之前,研究人员阅读作为乐队的命令模式在聚丙烯酰胺凝胶暴露于x射线胶片。现在,计算机算法转换这些乐队Gs的序列,为Ts和Cs -基地构成DNA链,没有人保存原始图像。同样,Engert说,脑科学家应该“不注重管理和分发原始数据,而是开发算法”编码使用更少的比特的信息。理想情况下,他说,这种算法将使收集数据压缩的显微镜。

我们的想法是明智的,但可能对大脑具有挑战性,部分原因是数学。使用x射线晶体学来确定蛋白质结构,例如,有一个“真正干净的理论模型”——一系列的方程,涉及具体特点的蛋白质可量化的特性在其衍射图样,格雷格•法伯说负责管理美国国家心理卫生研究所(NIMH)数据归档在罗克维尔市,马里兰州。工作的三维结构,“你刚刚测量位置的强度。你不需要把很多其他电影的像素的数据,”他说。

神经科学家没有类似的模型——没有映射,将神经连接和活动与行为,记忆或认知。考虑到大脑的巨大的错综复杂,法伯说,这个问题“不是,我们有太多的数据,但我们没有足够的复杂性我们试图解决”。

“不够”的问题数据共鸣朱莉·Korenberg系统神经科学家研究神经发育障碍在盐湖城犹他大学的。关于此类疾病常见的假设是斜蛋白表达变化的基因在特定的神经元,进而改变了大脑的连接导致行为特征的赤字。MRI可以检测总解剖改变,如扩大大脑区域。但微妙的变化需要更高分辨率的方法,如共焦或电子显微镜。但这些图像数据中表示完全不同的格式,并没有办法切换二:一旦科学家放大到单个细胞的水平,他们不能成功再次看到这些细胞在整个大脑。

建立一个桥梁

在过去的17年,Korenberg和她的同事们一直在努力通过映射,桥梁在猕猴大脑边缘系统。这些灵长类动物在他们的大脑60亿个神经元,而人脑是860亿。但在研究模型,猕猴是离我们最近的亲戚——更比一只老鼠和果蝇。

Korenberg的团队正在开发一个3 d坐标系一致各种类型的神经影像数据在猕猴大脑,从全脑MRI单细胞共焦数据连接,在某些领域内,亚细胞与电子显微镜分辨率。他们创造“一个系统,允许你选择一个点在一个图像,看看同一点另一个决议”,珍妮西蒙斯说,负责人NIMH的影响、社会行为和社会认知计划,这部分基金Korenberg的项目。类似于谷歌地球,西蒙斯说——例如,你可以放大直接从40××1,但不一定访问中间放大尺度。

映射整个猕猴大脑边缘系统使用20×共焦透镜需要大规模数据集——超过600 tb /动物。到目前为止,该研究团队收集了大约100 tb的数据,可以从网络附加存储设备,结合当地30-terabyte与云存储服务器。研究者使用规模的数据集可以解决一些问题,一个好的笔记本电脑,Korenberg说。但是操纵大型三维共焦数据集需要特殊的工作站,即便如此,一个平铺的图像的呈现是缓慢的。

来源:来源:参考。1 /卡米尔Ugurbil / Ann-shyn蒋介石/无花果。3在Herculano-Houzel,年代。前面。嗡嗡声。>。3、31 (2009)。

然而,工作,尚未发表,“有可能是——”领域的一大进步,神经解剖学家帕特里克·霍夫说在纽约西奈山医学院的曾经与Korenberg合作。Korenberg说,例如,数据可以帮助科学家链接基因很重要在某些精神疾病,如精神分裂症、自闭症、特定大脑神经网络异常。

作为科学家推动的极限是可能的,他们是创建计算管道处理工作流、扩张和新工具——如雷声和BigDataViewer分享和可视化结果数据。但它将超过工具开发缓解神经科学家的数据问题。一种文化转变也是必需的。“让人们很难放开他们的数据”,拉塞尔·波特拉克说,在加州斯坦福大学的一位心理学家使用神经成像研究学习和记忆。它可以是“一个世代的事情”,他说:千禧一代”更比我的一代”到共享代码和数据。波特拉克担心最高思想可能会离开不满的科学领域“不是看齐的价值观认为这应该”。

但是慢慢的,态度是——第一个转向软件,然后数据。一般来说,神经影像实验室花了很多时间下载和安装相同的测试版软件,“黑客通过各种软件故障和计算瓶颈,写作冗余的代码块和实施自己的数据管理解决方案”来解决同样的问题,大卫·格雷森说加州大学神经学博士生戴维斯。更糟糕的是,许多non-research任务降级到学生、博士后和年轻研究人员,他们往往是精通技术,但是“没有较”,格雷森说。

国际Neuroinformatics协调设施(INCF),位于斯德哥尔摩的非营利组织,成立于2005年,以开发和推广标准、工具和基础设施全球大脑研究者。几年后,美国启动了神经影像信息学工具和资源交流中心(NITRC)作为共享平台神经成像计算工具。当时“没有人甚至考虑共享数据,只有软件”,尼娜就说NITRC的项目经理,总部设在华盛顿。

改变在2009年晚些时候,当研究人员内森·克莱恩在Orangeburg精神病研究所,纽约,静息状态功能磁共振成像(fMRI)数据释放到NITRC从1200多名志愿者,收集1000年功能连接体项目(FCP)。这些只是汇集原始数据——然而在几周内,NITRC用户下载了数据集的700倍。“有这样一种被压抑的需求数据人们可以自由下载和玩,“就说。

下载数字飙升至数千一旦作者清理fMRI数据和搜索。后发表的数据2,记录超过1000下载前2周。同年,第一篇论文由独立的作者——谁下载了财团的功能磁共振成像数据分析,但不参与收集,也出版了3。

HCP以来首次数据集可以在2013年3月,数十名外部实验室发表论文分析项目的数据。总共,HCP发布了约50 tb的脑成像数据超过1000人,Jennifer拦,说一个项目活动协调员在圣路易斯的华盛顿大学医学院,密苏里州。

一些小型项目发布他们的数据,然而,可能是因为他们不需要。一些期刊要求所有数据支持发表研究结果可用社区,但总的来说,数据共享并不鼓励。“没有强大动力”做一些额外的工作,格雷森说。

传统的学术模型并没有帮助。研究人员通常开发假说和工作在自己的独立想法的同行。在这种环境下,研究不开车的人在一起——它把它们分开,艾伦脑科学研究所的Hongkui曾说在西雅图,华盛顿。“你需要区分自己。建立你的身份,你必须做一些与众不同。”

曾于2006年加入艾伦研究所的文化变化:研究所制定了雄心勃勃的五年目标,需要团队协作和工作系统,推动项目完成,而不是零散的,可以发生在各个实验室。

当涉及到大脑,“完成”可以是一个移动的目标。但也是神经科学的工具集。在神经科学学会说话,蒋介石哀叹,历时十年地图飞大脑的一半。与物理学家在台湾中央研究院合作,蒋介石的团队已经开始使用一种称为同步x射线断层扫描的技术大大提高数据采集速度。

“花了不到10分钟的形象一只苍蝇的大脑含有成千上万的Golgi-stained单一神经元,”蒋说,现在是谁的船员在老鼠和猪的方法。他们计划整合共焦和x射线图像在一个平台上,科学家可以下载数据。同步加速器的x射线成像,映射了人类在单一神经元的连接体决议现在更现实,”蒋说。将是多么容易融合地图与其他数据还有待观察。