摘要：科学家们让一只小老鼠观看《黑客帝国》和《星球大战》片段，同时记录其大脑活动，成功绘制出有史以来最大、最精细、而且是与真实大脑活动相关联的“活”大脑地图！这项重大突破性研究4月9日发表在《自然》杂志，首次将大脑结构和功能融为一体，为人类“读懂大脑”这一终极目标迈
科学家们让一只小老鼠观看《黑客帝国》和《星球大战》片段，同时记录其大脑活动，成功绘制出有史以来最大、最精细、而且是与真实大脑活动相关联的“活”大脑地图！这项重大突破性研究4月9日发表在《自然》杂志，首次将大脑结构和功能融为一体，为人类“读懂大脑”这一终极目标迈出了里程碑式的一步！
我们都知道，大脑是人体最复杂、最神秘的器官。它就像一台超级生物计算机，里面挤满了密密麻麻的“处理器”（神经元细胞），数量动辄百亿；连接这些处理器的“线路”（神经纤维）更是数以万亿计，形成了一个比互联网还要复杂无数倍的网络。科学家们一直梦想着能彻底搞清楚这个网络的构造，也就是绘制出所谓的“连接组”（Connectome）。
但这太难了！你可以想象一下，要在一座拥有百亿居民、万亿条道路的超级城市里，不仅画出每一栋建筑、每一条小巷，还要弄清楚每一条路在某个特定时刻的车流量——这就是绘制大脑连接组，尤其是“功能性”连接组的难度。过去的技术，要么只能看到模糊的“街区”，要么只能追踪几条“道路”，想看清全貌并知道“路况”，简直是天方夜谭。
那么，美国普林斯顿大学等机构组成的庞大MICRONS 团队是如何攻克这个难题的呢？他们设计了一套堪称“脑洞大开”的流程：
选角：会发光的“影迷”小鼠
他们首先请出了一位特殊的“演员”——一只经过基因改造的小老鼠。这位“鼠主角”的特殊之处在于，它大脑里的兴奋性神经元细胞被植入了一种“指示剂”，当神经元活跃起来（比如思考、看东西时），钙离子涌入细胞，这种指示剂就会发出荧光！就像给每个活跃的脑细胞装上了一个微型信号灯。
开拍：“脑内直播”看大片
然后就是“观影”环节了。科学家让这只小鼠观看各种视频片段，包括《疯狂的麦克斯》、《黑客帝国》、《星球大战》等电影场景和一些特殊设计的图案。这时小鼠大脑视觉皮层中负责处理这些画面的神经元就会兴奋起来，发出荧光。科学家们则使用一种叫做“双光子显微镜”的“摄像机”，实时捕捉这些荧光信号。这就好比是一场“脑内直播”，科学家能直接看到小鼠大脑在处理特定视觉信息时，是哪些神经元在“亮灯”。他们成功记录下了大约 7.5 万个神经元的“亮灯”情况。
解剖：深入内部绘制“线路图”
但光知道哪些灯亮了还不够，科学家还需要知道这些灯之间是怎么连接的。于是，在“观影”结束后，科学家小心翼翼地取出了小鼠大脑中被重点“直播”的那一小块区域——大约只有一粒沙子那么大（1 立方毫米）。别小看这一立方毫米，里面的神经“线路”总长度能达到几公里！接下来，他们动用了“终极武器”——5台电子显微镜。这种显微镜的分辨率极高，能看清纳米级别的细节。他们把这块脑组织切成了近 2.8 万片比头发丝还细得多的超薄切片，然后用电镜一张一张地拍照，24小时不间断工作，获得了海量的超高清图像数据（高达 2Pb），时间长达6个月。
AI 出马：超级“地图绘制师”
面对堆积如山的图像数据，光靠人力去分析是不可能的。这时，人工智能（AI）闪亮登场。科学家们训练了一个强大的机器学习算法，让它像一个孜孜不倦的“地图绘制师”，在数百万张电镜照片中自动追踪每一个神经元的轮廓，识别出它们的树突（输入端）和轴突（输出端），并精准地标记出神经元之间传递信号的关键节点——突触。最终，AI 绘制出了一张包含超过 20 万个细胞（神经元和支持细胞）和惊人的 5 亿多个突触连接的 3D 高清地图！
合二为一：“活地图”诞生！
最后一步，也是最关键的一步：科学家们利用复杂的算法，将之前“脑内直播”记录下的功能数据（哪些神经元在看电影时亮了灯），与 AI 绘制的结构地图（神经元的精确连接）完美地对应起来。这样一来，他们不仅知道了神经元是如何连接的，还知道了这些连接在执行具体任务（比如看尼奥躲子弹）时是如何工作的，一张真正意义上的、规模空前的“功能性连接组”——大脑“活地图”就此诞生！
有了这张前所未有的高清“活地图”，科学家们挖到了一些“宝藏”：
“近朱者赤”的长效版： 中国有句老话叫“物以类聚，人以群分”，大脑里也有类似法则——"一起放电的神经元会共同连接"。这张地图证实，这个法则不仅在邻近的神经元之间有效，即使隔着一段距离（在毫米尺度内），功能相似（比如对同一类视觉信息反应强烈）的神经元也更倾向于“拉帮结派”，互相连接。
“刹车系统”的精准打击： 大脑里不仅有负责兴奋的神经元，还有负责“踩刹车”的抑制性神经元。过去我们不太清楚这些“刹车”是广泛影响周围一片，还是有特定目标。新地图显示，抑制性神经元非常“讲究”，它们会进行精准打击，甚至可以从不同地方出发，汇聚到同一个遥远的目标细胞上，进行精确调控。就像一群训练有素的狙击手，而不是乱开枪的士兵。
看“朋友圈”识细胞： 有时候，单看一个神经元长什么样，很难判断它的具体“工种”。但通过分析它的“社交网络”——它和谁连接，连接方式如何——科学家们能够更准确地推断出它的身份和功能。
开放宝藏，人人可挖： 最重要的是，这个庞大的数据集连同分析工具将一起被公开，全世界的科学家都可以免费使用这些数据进行探索，有望催生更多突破性的发现。
当然，即便是这样一项突破性的研究，也并非完美无缺。科学家们也坦诚地指出了目前的局限：
地图仍有“盲区”： 这张地图虽然细节惊人，但并非 100% 完整。由于技术的限制，仍有一些细胞或连接未能被完全重建，地图上还存在一些“孤儿线路”，不知道起点或终点在哪。
AI 还需“人工导航”： 虽然 AI 帮了大忙，但它绘制的地图仍需要大量的人工校对来修正错误，总共有100多名校对者投入了数十万小时，进行了超过100万次手动修正！
冰山一角： 这次绘制的只是小鼠大脑视觉皮层中极小的一部分（1 立方毫米）。要绘制整个小鼠大脑，乃至更复杂的人类大脑，还有很长的路要走。
这项研究成功地将大脑的结构与功能以前所未有的精度和规模联系起来，为我们理解大脑如何处理信息、产生感知和思想打开了一扇全新的窗户。虽然前路依然充满挑战，但这幅大脑“活地图”无疑是我们探索智慧奥秘征程中的一个重要里程碑，未来有望帮助我们攻克阿尔茨海默病、多发性硬化症等神经系统疾病，甚至启发新一代人工智能的发展。
而这一切，都始于一只观看《黑客帝国》和《星球大战》的小老鼠，科学家们是不是该给它立一个碑了？
参考文献：
The MICrONS Consortium. Functional connectomics spanning multiple areas of mouse visual cortex. Nature 640, 435–447 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08790-w
来源：徐德文科学频道v