Peta 3D otak manusia yang paling terperinci diterbitkan dalam Sains! Parameter GPT-4 hanya bersamaan dengan 0.2% manusia

Tisu otak manusia sebesar biji bijan mempunyai saiz sinaps bersamaan dengan satu GPT-4!

Google dan Harvard bekerjasama untuk menjalankan pemodelan skala nano bagi otak manusia separa, dan kertas itu telah diterbitkan dalam Sains.

Ini adalah replika terbesar dan paling terperinci otak manusia setakat ini, menunjukkan buat kali pertama rangkaian sambungan sinaptik dalam otak.

Dengan resolusi ultra tinggi, pembinaan semula ini, yang dipanggil H01, telah mendedahkan beberapa butiran yang tidak kelihatan sebelum ini tentang otak manusia.

Profesor Lichtman dari Universiti Harvard, pengarang projek yang sepadan, berkata bahawa tiada siapa yang benar-benar melihat rangkaian sinaptik yang kompleks sebelum ini.

Hasil pemodelan ini akan membantu untuk mendapatkan pemahaman yang mendalam tentang kerja otak dan memberi inspirasi kepada penyelidikan manusia selanjutnya tentang fungsi dan penyakit otak.

Perlu juga dinyatakan bahawa kajian ini melibatkan 1 milimeter padu tisu otak manusia, tetapi jumlah data yang dijana adalah setinggi 1.4PB.

Ada kajian berdasarkan isipadu otak manusia Jika anda ingin memodelkan keseluruhan otak manusia, 1.76ZB data akan dijana Kapasiti storan superkomputer yang paling canggih hanya 7/10,000ZB kurang daripada satu otak manusia.

Walaupun kita mengambil semua pelayan di seluruh Internet, kita hanya boleh menyimpan 9 otak manusia.

Pada masa yang sama, 1 milimeter padu tisu otak mengandungi 57,000 sel dan 150 juta sinaps, dan bilangan sinaps di seluruh otak adalah setinggi kuadrilion.

Sebagai perbandingan, bilangan parameter GPT-4 hanya 2 trilion, iaitu hanya 0.2% daripada bilangan sinaps dalam otak manusia, mengikut pengiraan ini, ia adalah sebesar biji bijan di dalam otak.

Sesetengah orang mengeluh bahawa AGI mungkin jauh lagi...

Pemodelan skala nano membawa penemuan baharu

Secara khusus, penyelidik memperoleh lobus temporal daripada sampel tisu kortikal pesakit epilepsi wanita berusia 45 tahun. Bersaiz 1 milimeter padu.

Selepas sampel dibetulkan, diwarnakan dan dibenamkan dengan cepat dalam resin, para penyelidik menggunakan ultramikrotom dengan peranti pengumpulan automatik untuk memotong 5019 bahagian berterusan dengan ketebalan kira-kira 33.9 nanometer.

Kemudian penyelidik menggunakan mikroskop elektron pengimbasan berbilang rasuk untuk imej setiap kepingan pada resolusi 4×4 nanometer/piksel, dan memperoleh data imej dua dimensi asal dengan jumlah saiz kira-kira 1.4PB.

Seterusnya, penyelidik menggunakan alat pengiraan untuk memaut dan menjajarkan imej dua dimensi ini dan membina semula data voxel tiga dimensi.

Selepas itu, mereka menggunakan algoritma pembelajaran mesin yang dipanggil rangkaian pengisian banjir (FFN) untuk membahagikan morfologi neuron keseluruhan voxel, dan membetulkan ralat pembahagian secara manual untuk membina semula otak 1 milimeter padu. bentuk dimensi semua sel, sinaps, saluran darah, dan struktur lain dalam tisu.

FFN telah dicadangkan oleh Google Brains pada tahun 2018. Idea asas adalah untuk bermula dari titik benih dan berkembang secara rekursif di sekelilingnya, menandakan semua voksel yang disambungkan kepadanya sehingga ia menemui latar belakang atau sempadan objek lain.

Pada masa yang sama, mereka juga menggunakan model pembelajaran mesin untuk mengenal pasti lokasi sinaps secara automatik dan membezakan sinaps rangsangan dan perencatan.

Akhirnya, pasukan itu berjaya memodelkan 1 milimeter padu tisu otak pada skala nano, yang mengandungi lebih daripada 50,000 nukleus sel, 150 juta sinaps dan 230 mm urat ultra halus di antaranya.

Atas dasar ini, dengan menganalisis morfologi sel yang dibina semula, para penyelidik mengenal pasti komposisi jenis sel utama kawasan otak.

Daripada jumlah 57,180 sel, 49,080 adalah neuron dan sel glial, dan 8,100 berkaitan dengan saluran darah Di antara neuron dan sel glial, bilangan yang terakhir adalah kira-kira 2 kali ganda daripada yang pertama.

Di antara neuron, 65.5% adalah neuron piramid dengan pancang, dan 29.1% adalah interneuron dengan proses yang lancar di kalangan sel glial, oligodendrocytes adalah yang paling biasa;

Penyelidik membangunkan model pembelajaran mesin untuk mengenal pasti lokasi sinaps dan jenisnya secara automatik (penurunan/perencatan).

Kawasan otak ini mengandungi sejumlah kira-kira 150 juta sinaps, di mana 111 juta adalah sinaps rangsangan dan 39 juta yang lain adalah sinaps perencatan Terdapat juga beberapa kepadatan pengedaran sinaps rangsangan dan perencatan pada perbezaan kortikal yang berbeza.

Dengan menganalisis input sinaptik yang diterima oleh setiap neuron, penyelidik mendapati bahawa sebahagian besar (96.49%) akson hanya membentuk satu sinaps dengan sel sasarannya, tetapi beberapa akson boleh membentuk berbilang sinaps (sehingga Lebih daripada 50) dan membentuk khususnya sambungan yang kuat dengan sel sasaran.

Analisis lanjut mendapati bahawa "sambungan kuat" polysynaptic seperti itu lazim dalam kedua-dua akson rangsangan dan perencatan, dan bilangannya adalah lebih tinggi daripada jangkaan apabila sinaps terbentuk secara rawak.

Penyelidik membuat spekulasi bahawa di antara sebilangan besar sambungan lemah rawak, beberapa akson tertentu mungkin mengawal aktiviti neuron melalui sambungan kuat yang sengaja dibentuk.

Selain itu, para penyelidik juga menganalisis sejenis neuron piramid khas secara terperinci.

Terdapat dua orientasi simetri cermin dendrit basal sel "segi tiga" dan "kompas" ini, menunjukkan bahawa ia mungkin mempunyai fungsi yang berbeza.

Walau bagaimanapun, penulis juga menyatakan bahawa sampel yang berkaitan adalah daripada pesakit epilepsi Walaupun tiada perubahan patologi yang jelas ditemui di bawah mikroskop cahaya, tidak dapat dinafikan bahawa epilepsi jangka panjang atau rawatan ubat mungkin menyebabkan beberapa perubahan. dalam sambungan atau struktur tisu kortikal.

Dalam erti kata lain, kesejagatan model ini mungkin masih belum lagi disahkan, tetapi sekurang-kurangnya ia telah mendedahkan satu lagi lapisan rangkaian sinaptik.

Untuk membolehkan orang ramai menggunakan hasil pemodelan untuk menemui lebih banyak misteri, pasukan penyelidik telah menjadikan semua data asal, hasil pemodelan dan alatan berkaitan sumber terbuka.

Semua alatan data adalah sumber terbuka

Pengarang menubuhkan Neuroglancer, platform visualisasi data interaktif dalam talian, yang boleh digunakan oleh penyelidik lain untuk meneroka set data H01 pada skala yang berbeza.

Ia termasuk semua imej hirisan mikroskop elektron asal, serta hasil pembahagian morfologi neuron, lokasi sinaps dan keterujaan/perencatan, serta label pelbagai jenis sel Pengguna boleh memerhatikan aspek mikro dan makro set data secara fleksibel struktur.

Sebagai tambahan kepada data, pengarang juga mempunyai CREST sumber terbuka, alat untuk meneroka sambungan sinaptik antara neuron, dan CAVE, platform pembetulan kerjasama dalam talian yang disepadukan dengan mendalam dengan Neuroglancer, untuk membantu penyelidik lain meneroka dan menganalisis yang belum pernah berlaku sebelum ini. berskala besar dari semua sudut Dataset otak manusia.

Penulis berkata bahawa menjadikan hasil ini sumber terbuka akan menyediakan komuniti akademik dengan asas fizikal untuk mengkaji struktur dan fungsi otak manusia, dan menyediakan rujukan untuk penyelidikan penyakit.

Walaupun H01 telah membawa maklumat terperinci yang belum pernah berlaku sebelum ini, berbanding dengan keseluruhan otak manusia, data ini hanyalah puncak gunung ais organ besar ini Pada masa hadapan, pengimejan skala nano yang serupa untuk lebih banyak kawasan dan tahap otak manusia akan diperlukan . dan pembinaan semula tiga dimensi, penulis juga menyeru komuniti akademik untuk bekerjasama.

One More Thing

Pengeluaran siri data H01 bertepatan dengan ulang tahun ke-10 penubuhan pasukan Connectomics Google Research.

Sebelum ini, pasukan itu juga mengeluarkan peta otak Drosophila yang mengandungi 25,000 neuron dan berjuta-juta sambungan antara mereka.

Tahun lepas, pasukan itu juga mengumumkan bahawa ia akan bekerjasama dengan beberapa universiti dan membelanjakan AS$33 juta untuk memetakan hippocampus dalam otak tikus ini juga menjadi tumpuan kerja pasukan seterusnya.

Peta H01 yang dikeluarkan kali ini pertama kali dikeluarkan sebagai set data dan kertas pracetak pada Jun 2021. Selepas pengoptimuman dan analisis yang lebih mendalam tentang ciri sinaptik, versi rasmi kertas itu telah diumumkan hari ini.

Alamat kertas: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk4858

参考链接：
[1]https://research.google/blog/a-browsable-petascale-reconstruction-of-the-human-cortex/。
[2]https:// www.sciencealert.com/amazingly-detailed-images-reveal-a-single-cubic-millimeter-of-human-brain-in-3d。
[3]https://news.ycombinator.com/item? id=40313193。

Atas ialah kandungan terperinci Peta 3D otak manusia yang paling terperinci diterbitkan dalam Sains! Parameter GPT-4 hanya bersamaan dengan 0.2% manusia. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!