Nature Methods報(bào)道大腦神經(jīng)環(huán)路的自動(dòng)化突觸級(jí)重建技術(shù)暢想未來(lái)的連接組繪制米樂M6 M6米樂

　　突觸連接的密集重建需要整個(gè)大腦的高分辨率電子顯微鏡圖像和工具來(lái)有效地追蹤整個(gè)神經(jīng)元。

　　中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的信息處理是由相互連接的神經(jīng)元進(jìn)行的。突觸是該網(wǎng)絡(luò)中通信的關(guān)鍵部位，只能通過(guò)電子顯微鏡(EM)識(shí)別特定的一對(duì)神經(jīng)元。之前有研究嘗試重建有機(jī)體的神經(jīng)系統(tǒng)回路，例如秀麗隱桿線蟲，創(chuàng)建的連接圖對(duì)于研究神經(jīng)回路至關(guān)重要。與此同時(shí)，已經(jīng)為無(wú)脊椎動(dòng)物物種生成了大腦的 EM 重建。到目前為止，還沒有為脊椎動(dòng)物提供具有可比分辨率的全腦數(shù)據(jù)集。

　　以突觸分辨率將功能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)可能涉及記錄神經(jīng)元活動(dòng)，例如，通過(guò)雙光子(2P)鈣成像，然后用體積 EM(vEM)重建潛在的細(xì)胞連接。幼年斑馬魚(Danio rerio)特別適合這種方法。在受精后 5?天，幼年斑馬魚大腦的大小與成年果蠅相當(dāng)：從頭端到尾部700?μm，最大寬 450?μm，從背側(cè)到腹側(cè)表面最大 320?μm（圖1a，b）。為幼年斑馬魚生成了數(shù)千個(gè)單神經(jīng)元形態(tài)和區(qū)域到區(qū)域（中尺度）接線圖的全腦目錄，這些數(shù)據(jù)提供了對(duì) vEM 跟蹤的合理性檢查，尤其是遠(yuǎn)程預(yù)測(cè)。

　　圖2顯示作者將在功能記錄之后拍攝的高分辨率 2P z-stack與 vEM stack坐標(biāo)（圖2a-d）對(duì)齊，進(jìn)一步建立了功能識(shí)別的細(xì)胞和 vEM 數(shù)據(jù)集中的細(xì)胞之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　他們選擇的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，從大規(guī)模結(jié)構(gòu)（心室和血管）到更精細(xì)的結(jié)構(gòu)（例如，個(gè)體軀體），確定了重建細(xì)胞之間的突觸，在這 208 個(gè)神經(jīng)元之間產(chǎn)生了總共 1,079 個(gè)突觸接觸（圖2i，j）。

　　最后，作者將 Max Planck Zebrafish Brain Atlas（mapzebrain，注冊(cè)到他們的 vEM 數(shù)據(jù)集。mapzebrain地圖集提供了參考幼蟲大腦（“標(biāo)準(zhǔn)大腦”）中 112 個(gè)區(qū)域的帶注釋碼。作者根據(jù)兩個(gè)數(shù)據(jù)集中的體細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞區(qū)域的分布進(jìn)行了映射（圖3a，b）。這將 EM 和光學(xué)顯微鏡(LM)坐標(biāo)系帶入配準(zhǔn)（圖3c）。

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　　作者使用 FFN22 首先創(chuàng)建基礎(chǔ)分割，最小化合并錯(cuò)誤，然后將其聚合以減少分割錯(cuò)誤，同時(shí)將合并錯(cuò)誤保持在可接受的水平（圖4a，b）。

　　生成的單元格或單元格片段既顯示在 3D 視圖中，也顯示在覆蓋在原始數(shù)據(jù)上的切片視圖中。在頂蓋神經(jīng)元樣本（n?=?18）中，每個(gè)細(xì)胞平均需要 2.8 次和 98.5 次交互（鼠標(biāo)點(diǎn)擊）來(lái)校正合并和分裂錯(cuò)誤（參見圖4c中的分裂說(shuō)明）。

　　為了對(duì)校對(duì)工作流程進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，作者首先追蹤一個(gè)神經(jīng)元，在頂蓋的 SIN 中隨機(jī)選擇，以及它的所有突觸前和突觸后伙伴（SIN1；圖5）。SIN 是一類廣泛參與處理視覺刺激的頂蓋細(xì)胞。由此產(chǎn)生的重建揭示了典型的 SIN 形態(tài)：在纖維層和灰色表面（SFGS3/4 層，圖5a）中有一個(gè)廣泛的單層樹枝狀結(jié)構(gòu)。作者沿著 SIN1 的所有分支搜索突觸前和突觸后位點(diǎn)（圖5a）。

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　　總的來(lái)說(shuō)，他們確定了 340 個(gè)突觸（輸入：155，輸出：185）。一些 SIN 神經(jīng)突具有混合的軸突和樹突特征，突觸前和突觸后位點(diǎn)通常非常接近（圖5a，b）。從這些位點(diǎn)開始，追蹤了所有的突觸伙伴（圖5c-g）。

　　本文作者描述了一個(gè)數(shù)據(jù)集，其中包含幼年斑馬魚大腦的 EM 體積，通過(guò)自動(dòng)生成的 121,000 個(gè)細(xì)胞核圖、突觸接觸位置和神經(jīng)突的提議分割來(lái)增強(qiáng)。該分辨率適用于突觸規(guī)模的重建。大約0.058?mm3的EM體積由12.5 teravoxels表示（近29,000個(gè)切片，每個(gè)25?nm厚，以14?×?14?nm2像素大小成像）。作者開發(fā)的計(jì)算工具可以從這些數(shù)據(jù)中直接提取數(shù)據(jù)集中的連接信息。

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　　斑馬魚系統(tǒng)另一個(gè)值得追求的方向是發(fā)育和成長(zhǎng)。雖然目前的數(shù)據(jù)集包含一個(gè)幼年的大腦，但即使是成年斑馬魚的一百倍大的大腦仍然可以進(jìn)行全腦 EM 重建。作者預(yù)計(jì)技術(shù)進(jìn)步將使斑馬魚（包括突變體和疾病模型）中生成連接組成為未來(lái)的一項(xiàng)常規(guī)任務(wù)。