神經(jīng)科學研究開始共享與集成數(shù)據(jù)

　　擴散磁共振成像僅是研究人員用來聚焦腦部許多數(shù)據(jù)的方法之一。

全球各種大腦圖譜計劃正在展開，中國臺灣的計劃似乎有些小。當?shù)乜茖W家正在研究果蠅，通過單個神經(jīng)元成像逆向編輯其大腦。他們的工作已經(jīng)以驚人詳細的程度制作了大腦電路的三維圖像。

研究人員僅需要一個計算機鼠標和一個網(wǎng)頁瀏覽器就能追蹤單個細胞并將其縮放回神經(jīng)束交織的網(wǎng)絡(luò)中。這些布線圖看起來像掛毯上五顏六色的線，它們可以非常清晰地表明哪些細胞簇控制具體的行為。通過刺激具體的神經(jīng)線路，研究人員能夠提示一只果蠅拍打其左翅或是搖頭，這一技能去年11月在美國加州圣迭戈舉行的神經(jīng)科學年會上導致參會者整個下午特別激動。

但臺灣新竹清華大學神經(jīng)學家Ann-Shyn Chiang說，即便是對于這樣一個小生物，也耗費了該團隊整整十年以每個細胞10億字節(jié)的比率繪制6萬個神經(jīng)元。這甚至不足果蠅屬大腦神經(jīng)細胞的一半。若以此推算，利用同樣的方式繪制人腦中的860億個神經(jīng)元將要花費1700萬年，Chiang在會議上報告說。

其他的技術(shù)更加易于處理。2016年7月，一個國際團隊發(fā)表了人腦褶皺外層——大腦皮層的圖譜。很多科學家認為這是到目前為止最詳細的人腦連接圖。然而，即便在其最高空間分辨率（1立方毫米），每個立體像素（三維物體最小的可分辨元素）均包含數(shù)千萬個神經(jīng)元。這與以單細胞繪制果蠅神經(jīng)元連接圖可謂差別懸殊。

所以，在神經(jīng)生物學的世界里，大數(shù)據(jù)確實是龐大的數(shù)據(jù)量。盡管計算機基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M步，“大數(shù)據(jù)”革命數(shù)十年前曾席卷基因組學領(lǐng)域，如今神經(jīng)科學家仍在努力應(yīng)對他們所在領(lǐng)域的新革命。

有多大

這一部分是因為無論是什么物種，大腦都如此巨大、關(guān)聯(lián)度如此之高。但它也來自于細胞難處理的維度。哺乳動物的神經(jīng)元主要延伸（即軸突）是其最小分支（樹突）長度和寬度的20萬倍。如果用意大利面代表樹突，那些神經(jīng)元自身就超過1公里的1/3，或是4個美式足球場。

在實驗室中，研究人員通過成百上千個重疊的大腦切片圖像堆疊跟蹤其數(shù)千個投影，從而繪制每個神經(jīng)元。以光為基礎(chǔ)的顯微鏡能夠承載0.25~0.5微米的分辨率，這足以跟蹤一個神經(jīng)元的主體。但想要揭示突觸（通過電子或化學信號流的分鐘信號銜接點），納米成像電子顯微鏡是必需的。更高的像素意味著觀測領(lǐng)域更小和更多圖片。更多圖片意味著更多數(shù)據(jù)。

“我們不再是應(yīng)對百萬字節(jié)，甚至是千兆字節(jié)。”洛杉磯南加州大學神經(jīng)成像實驗室負責人Arthur Toga說，“我們應(yīng)對的是兆兆字節(jié)。將它從一個地方挪到另一個地方就是一個問題。”兩兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)將填滿很多臺式機的硬盤。

Chiang的果蠅團隊對1兆兆字節(jié)的圖像進行了梳理，以重建1000個神經(jīng)細胞——少于果蠅屬大腦的1%。HCP明尼波利斯明尼蘇達大學共同首席研究員Kamil Ugurbil說，為了繪制人類大腦皮層圖像，HCP研究人員分析了來自210名健康青年人的6兆兆字節(jié)的核磁共振（MRI）成像數(shù)據(jù)。實驗室可以從該項目的網(wǎng)站或更大的數(shù)據(jù)集中下載那些數(shù)據(jù)，每次下載那些8兆兆字節(jié)的文件需要花費200美元。

電生理學研究在計算方面也變得更加吃力。今天，研究人員通常每次記錄數(shù)百個神經(jīng)元。很快，它將會達到數(shù)千個；在5年內(nèi)，將達到成千上萬個，瑞士日內(nèi)瓦大學神經(jīng)學家Alexandre Pouget說。“這是我們將要發(fā)生的跳躍式前進。”

劍橋哈佛大學神經(jīng)學家Florian Engert說，如果你記錄小鼠大腦神經(jīng)元活動20分鐘，那么將會產(chǎn)生約500拍字節(jié)的“閃爍”，其中神經(jīng)細胞放電代表為像素值的變化。

神經(jīng)學家沒有可以對比的模型，沒有將神經(jīng)連接和活動行為、記憶或認識相關(guān)連的地圖。考慮到大腦巨大的錯綜復雜性，馬里蘭州美國精神健康研究所負責人Greg Farber說，問題“并不在于我們有過多的數(shù)據(jù)，而是我們遠沒有達到需要解決這個復雜問題的數(shù)據(jù)”。

搭建橋梁

過去17年，鹽湖城猶他大學研究神經(jīng)發(fā)育紊亂的系統(tǒng)神經(jīng)學家Julie Korenberg和同事一直研究在恒河猴中繪制大腦邊緣系統(tǒng)。這種靈長類動物大腦有60億個神經(jīng)元，而人類大腦則有860億個。但在研究模型中，恒河猴與小鼠或果蠅相比同人類血緣關(guān)系最近。

Korenberg的團隊正在開發(fā)一個三維協(xié)調(diào)模型，與恒河猴大腦中各種神經(jīng)成像數(shù)據(jù)相匹配，這些數(shù)據(jù)包括從整個大腦MRI連接到單細胞公焦數(shù)據(jù)以及一些區(qū)域的電子顯微鏡亞細胞分辨率。他們在建立“一個讓你在一個圖像上選擇一個點并以另一種分辨率來看這個點的系統(tǒng)”，國立精神衛(wèi)生研究所（NIMH）影響社會行為和社會認知項目領(lǐng)頭人Janine Simmons說，該機構(gòu)為Korenberg的研究提供了部分支持。Simmons說，它有些類似谷歌地球，例如，你可以將焦距從40 ×直接轉(zhuǎn)變?yōu)? ×，但卻不能得到這些變焦尺度之間的層次。

利用20×共焦透鏡繪制恒河猴大腦邊緣系統(tǒng)圖像將需要巨大的數(shù)據(jù)集，每個動物遠超過600兆兆字節(jié)。到目前為止，該團隊已經(jīng)收集了約100兆兆字節(jié)的數(shù)據(jù)信息，可以通過30太字節(jié)的本地服務(wù)器與云端儲存連接的聯(lián)網(wǎng)儲存設(shè)備獲取。Korenberg說，研究人員可以用縮小尺寸的數(shù)據(jù)集和一臺性能良好的筆記本電腦解決一些問題。但操作大規(guī)模的三維共焦數(shù)據(jù)集需要特別的工作站，即便如此傳遞每個平鋪的圖片也很緩慢。

然而，這項尚待發(fā)表的研究“有可能成為連接這一領(lǐng)域最重要的進展”。紐約市西奈山醫(yī)院神經(jīng)解剖學家Patrick Hof說，他曾與Korenberg合作過。例如，Korenberg說，這些數(shù)據(jù)可以幫助科學家將在特定神經(jīng)紊亂（如精神分裂癥和自閉癥）中看上去很重要的基因聯(lián)系起來，從而了解確切的大腦線路異常。

文化轉(zhuǎn)變

隨著科學家將可能的范圍向前推動，他們在建立一個計算通道以應(yīng)對日益加大的工作量，此外還在建立新的工具共享和可視化最終生成的數(shù)據(jù)。但緩解神經(jīng)科學家的數(shù)據(jù)問題，需要的不只是工具研發(fā)，還需要文化轉(zhuǎn)變。很難讓人們“放開他們的數(shù)據(jù)”，加州斯坦福大學心理學家Russell Poldrack說，他用神經(jīng)成像研究學習和記憶。它可能會成為“一代人的事情”，他說，千禧一代人“比我們這一代人更喜歡共享編碼和數(shù)據(jù)”。Poldrack擔心，一流科學家可能會因為科學“與他們認為其應(yīng)該具有的價值不匹配”而沮喪，并離開這個領(lǐng)域。

但態(tài)度在逐漸轉(zhuǎn)變，首先是那些針對軟件的，其次是數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)上，神經(jīng)成像實驗室會花費大量時間下載和裝載同樣的β測試軟件。“為各種軟件失靈和計算瓶頸開路，編寫大量累贅的編碼以及進行他們自己的數(shù)據(jù)管理解決方案，以處理同樣的問題”。加州大學戴維斯分校神經(jīng)科學博士生David Grayson說。更糟糕的是，很多非研究性任務(wù)被委托給學生、博士后和年輕科學家。

傳統(tǒng)的學術(shù)模式對此沒有幫助。研究人員通常會設(shè)置假設(shè)，并在其團隊內(nèi)獨立地考慮自己的想法。在這樣的環(huán)境中，研究并未把人帶到一起，而是將他們分散開來，華盛頓西雅圖艾倫腦科學研究所的Hongkui Zeng說。“你需要讓自己不同。需要在該領(lǐng)域建立自己的身份，你需要做一些與他人不同的事情。”

在談到大腦研究時，“完成”是個移動性的目標。對于神經(jīng)科學工具包來說也是如此。在神經(jīng)科學學會年會的講話中，Chiang感嘆繪制一只果蠅大腦的一半圖譜居然花費了10年。他們與中國臺灣的物理學家合作，正開始利用一種叫作同步加速器X射線斷層掃描的技術(shù)大幅提高數(shù)據(jù)認知。“它僅需要不到10分鐘就繪制一只果蠅的大腦圖像，其中包含數(shù)千個高爾基染色單個神經(jīng)元。”Chiang說，他的團隊正在小鼠和豬身上嘗試該方法。