由哥倫比亞大學領導的團隊贏得了910萬美元的研究經費，以創建根本性的新地圖，描繪整個人類大腦的細胞多樣性。哥倫比亞大學和伊坎醫學院的研究人員正在合作開展一個項目，創建整個人類大腦的圖譜，包括所有1800億個細胞和計數。這種數據可以幫助揭示大腦的結構和組織如何在疾病和健康中產生行為、情感和認知。
到目前為止，由於繪製整個人類大腦的地圖需要大量的時間和巨大的技術複雜性，細胞水平的大腦圖譜只限於更小的動物或人類大腦的小部分。
“縱觀科學史，新的工具一直是一些最引人注目的進步背後的原因，”哥倫比亞大學祖克曼研究所的赫伯特和弗洛倫斯-歐文教授、該項目的領導人伊麗莎白-希爾曼博士說。”我們正在開發一些技術，這些技術能使幾十甚至幾百個人腦的高速、大規模成像在未來五年內成為一種可行的前景。我們希望產生的史無前例的大量數據應該為以前無法獲得的人腦知識開闢道路。
為了使希爾曼博士和她的合作者能夠開展這一雄心勃勃的項目，美國國立衛生研究院BRAIN計劃最近向他們提供了910萬美元的資助。這筆資金將由哥倫比亞大學、西奈山伊坎醫學院和卡內基梅隆大學分享。自2014年以來，BRAIN計劃已經投入了超過24億美元的研究資金，以促進人們對大腦工作方式的理解。這個新項目屬於BRAIN倡議細胞普查網絡的範疇，該網絡成立於2017年，旨在鼓勵研究人員找到生成全面腦細胞圖譜的方法。
“如果成功的話，我們的顯微鏡應該能夠在幾天內對整個人類大腦的細胞細節進行成像，”希爾曼博士說，他也是哥倫比亞大學生物醫學工程和放射學的教授。”這些數據將像大腦的Google Earth一樣，能夠分析不同類型的人類腦細胞在巨大的長度尺度上的模式和分佈。感受一下，地球上只有80億人，但大腦中有超過1800億個細胞。”
該團隊對僅僅計算細胞不感興趣。開發一個大腦地圖，繪製構成大腦的許多不同種類的細胞的多樣性，是一個首要任務。
“我們知道大腦包含數十億的神經元，但有許多不同的神經元亞型，”希爾曼博士解釋說。”有多少，它們是如何組織的，以及它們在不同的腦區和不同的人之間如何變化，在很大程度上是未知的。”
但大腦並不只是由神經元組成。它的網狀結構包括其他類型的細胞，其中包括一系列膠質細胞和構成大腦血管的細胞。所有這些細胞類型對於正常的大腦功能都是必不可少的，並可能擁有關於疾病中出現問題的重要線索。
希爾曼博士說：”為了使這些數據集真正有用，我們必須找到一種方法，在我們掃描整個大腦時儘可能多地捕捉信息，”他在發明新的、強大的、快速的顯微鏡技術方面有良好的記錄。”如果成功的話，我們的顯微鏡應該能夠在幾天內對整個人腦進行細胞細節的成像。”
為了這個”腦洞大開”的項目，她正在開發另一種新的顯微鏡技術。它被稱為人腦優化光片（HOLiS）顯微鏡。該團隊選擇這個名字是為了強調對每個人的整個人腦進行整體成像和分析的重要性。
成像過程的第一步是將大腦小心翼翼地切成5毫米厚的切片，並對其進行處理，使其完全透明。這一近乎神奇的壯舉是該項目的共同首席研究員、西奈山神經系統、結構和遺傳學實驗室助理教授Wu Zhuhao博士的專長。Wu博士已經優化了一種用於人類大腦清理的方法，其中包括一個步驟，可以給每個大腦切片注入一系列的熒光標籤，使其有可能根據不同的顏色來識別單個細胞及其不同的屬性。
然後是HOLiS顯微鏡，它以閃電般的速度運行，為每個部分生成巨大的技術性彩色3D圖像。該技術的工作原理是將激光投射到組織中，形成一個光片，照亮一個非常薄的傾斜平面，同時一個快速相機捕捉到同一平面的圖像。通過以恆定的速度移動大腦部分，每個平面的連續圖像可以堆疊在一起，形成一個長的三維塊。然後組織被來回掃描以覆蓋其整個體積，然後再進入下一個部分。
希爾曼說：”試圖用現有的傳統儀器對整個人類大腦進行成像需要數年時間，而我們希望我們的HOLiS系統將能夠在大約一周內為整個大腦成像。這種速度將使全腦成像從一次性的概念驗證變成一種能夠對數百個大腦進行成像的技術。我們懷疑每個大腦都會非常不同，所以我們需要能夠對大量的大腦進行成像，以了解整個生命周期的大腦多樣性，並最終能夠探索廣泛的疾病和紊亂。”
然而，另一個挑戰仍然存在。該團隊預計每一次大腦追蹤運行將產生大約2PB的數據，這是一個巨大的容量。卡內基梅隆大學匹茲堡超級計算中心的合作者將幫助該團隊把這些海量的數據轉換成更易於管理、可搜索和用戶友好的數據庫，以便進行分析和比較。哥倫比亞大學數據科學研究所的卡爾-馮德里克博士和辛西婭-拉什博士以及祖克曼研究所細胞成像核心的主任盧克-哈蒙德以其在計算機科學、機器視覺、信息理論和統計學方面的專業知識為項目的這一關鍵方面作出貢獻。
參與這項工作的還有吳博士在伊坎醫學院的同事，包括該學院神經病理學腦庫主任、人腦保存和神經病理學專家約翰-F-克拉里博士。西奈山生物醫學工程和成像研究所的助理教授Alan Seifert博士將在切割前獲得整個大腦的詳細磁共振圖像。這將使用HOLiS收集的所有數據能夠註冊到目前的大腦圖譜上，並進行分析，以便將細胞水平的HOLIS數據與MRI信號特性進行比較。伊坎團隊還包括放射學教授Bradley Delman博士和神經科學教授Patrick Hof博士，他們將貢獻他們在神經放射學和人腦數據的神經解剖學閱讀方面的特殊專長。
帕維爾-奧斯滕博士是全腦細胞成像領域的先驅，現在是一家新成立公司的總裁、創始人和首席科學官，他的加入為項目的人才組合增添了光彩。Osten博士在規劃該項目時發揮了重要作用，並將就快速分析HOLiS圖像的最佳方法提供指導和建議，以找到所有的細胞，並將HOLiS掃描的信息映射到既定的人腦解剖圖譜上。
希爾曼博士說：”如果我們能簡化這一過程，我們就能建立一個基礎數據庫，使人腦的分析變得前所未有，擁有這些數據應能加速我們了解人腦中經常出現的問題以及在發育、神經和精神疾病中出現的問題的努力。”