神经科学里的连接组学(connectomics)是指什么?目前的进展如何?有何意义?

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6个答案
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混沌歌者临床医学/神经科学

2012-12-18 23:44

网站在此 http://www.humanconnectomeproject.org/
http://humanconnectome.org/

是美国国立卫生院NIH 2009开始资助的一个5年项目,不同的几个大学/研究所分成两组进行。第一组由Washington University in Saint Louis为首,预计投资3000万美元。另一组有哈佛,麻省总医院,UCLA,投资850万美元。

分两个阶段
1阶段获取数据,优化数据分析方法等(已完成)
2阶段有1200余被试参与,来自300多家庭的双生子和亲属。(进行中)

这个项目的目的是使用不同的脑成像技术(主要是静息态功能磁共振,弥散磁共振成像,EEG、MEG等作为补充),绘制出不同活体人脑功能、结构“图谱”。不仅样本量非常大,而且使用比较先进的技术(比如弥散磁共振成像使用HARDI/ Q-ball, DSI等技术,高场强7-T扫描机)。当然还少不了问卷、行为、基因测序等,进行综合研究。

这是目前脑成像界最大的项目了。一旦绘制出精细的大脑结构、功能图,就可以进一步研究神经环路的构造,大脑随发育、年龄增长的变化,大脑的网络属性,神经/精神疾病的根源;还可以研究大脑多大程度上由基因决定,以及不同的大脑功能/结构和行为的关系,给其他所有的类似研究提供最完美的『金标准』对照。

比如下面这张图就是使用dMRI重建的大脑白质纤维,非常漂亮

最好的消息是,这个项目的所有数据将会open access(目前已经有部分数据可以)!任何人有兴趣都可以下载然后进行自己的研究。

------------补充------------

connectomics(联接组学)是近年来一系列生命科学研究中『xx组学』的一支,譬如就有大家很熟悉的基因组学;意思是在相应生物学层面上的『普查』,基因组学是要知道生物体中的核酸物质的全部种类和序列,连接组学则是要知道神经系统的组织方式。

大脑里有百亿计的神经细胞,出于技术限制等原因,直到目前人类都没有完整的白质纤维纤维联络模式,局部的纤维联络模式,更不用说每个神经元及其包含的所有突触相互之间的连接模式。只有绘制出这样一幅基本蓝图,才可能继续向建筑在之上的问题进行探索。当前重中之重便是人脑的联接模式,进行中的便是上述『人脑联接组计划』。另外还有一些实验常用的动物如果蝇、秀丽线虫、小鼠的神经系统也在研究中。

意识从何而来?思维和智能是如何出现的?这些终极问题都蕴藏在大脑里面。联接组学是一个对大脑进行的逆向工程研究,希望研究明白『大脑』是怎么被建造的,而后就可以再建模拟的『大脑』,人造智能也许会因此而真正实现。再走远一点,人类在把自己变成上帝的路上跨出了第一步。

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Synge脑科学工作者

2013-01-01 14:58

1 Connectome的来历及分类
Connectome 就是指描绘大脑间各个部分联系的图谱。Connectome这个词应该是最早由印第安纳大学的Olaf Sporns提出来的 (Sporns et al., 2005)。Connectome 有不同的层次。对于低级生物,比如线虫,Connectome 的目的是搞清楚所有203个神经元是如何连接的。但哪怕只有203个神经元,要搞清楚它们之间的全部连接也并非易事。今年Science的一篇文章绘制了线虫部分神经元的Connectome (Jarrell et al., 2012)。

对于人来说,神经元的数量与线虫相比显然相差好几个数量级,而且技术上也很难在活体上追踪单个神经元。因此人脑的Connectome通常是基于磁共振技术的。目前常用的磁共振成像得到的图像的分辨率大概是3mm。在这样大的一个像素内,包含了百万数量级的神经元,每个神经元大概有1000个突触。从这个角度讲,用MRI技术研究神经结构和活动真的是雾里看花。还好大脑的神经元是模块化的组织。相近的神经元协作完成相似的功能,组成功能柱或功能模块。因此人脑的Connectome是描绘这些模块之间联系的系统水平上的神经联系图谱。

2 Human Connectome的技术简介
从技术上讲,主要分两类。一类是通过测量水分子在大脑中的弥散方向,追踪大脑白质纤维束,这是结构联系;另一类是通过测量大脑神经活动的同步性,估计功能上的联系。这也就是现在正在进行的两个connectome project的方向:加州大学洛杉矶分校和麻省总医院的白质纤维束连接组项目 (http://www.humanconnectomeproject.org/)以及华盛顿大学圣路易斯和明尼苏达大学的静息态功能连接组项目 (http://humanconnectome.org/)

用水分子弥散方向追踪白质纤维束的依据是,水分子在白质纤维束内的弥散会被限制在纤维束的朝向上。而对于其它脑组织,水分子的弥散是布朗运动,没有偏向特定的方向。如前所述,目前普遍使用的弥散成像的分辨率大概是3mm的立方体。在每个立方体单位上,我们可以得到水分子在不同方向上的弥散强度,并基于此找到这个立方体单位内占主导的弥散方向。可以想象为大脑每一个局部区域有一个小箭头指示白质纤维束的可能走向,我们要做的就是找个算法把大脑中整个纤维束追踪出来。

但现在弥散成像的局限也显而易见。第一是空间分辨率低。这受硬件安全性的限制,也受人可以接受的扫描时间的限制。可以想象在3mm立方的空间里,实际上可能不止一条纤维束。如果两条纤维束在这个空间里交叉,纤维束追踪的算法就很难解决。弥散成像现在很热们的一个问题就是解决纤维束交叉的问题。解决方法是扫描更多的方向,这样在建模每个像素内的弥散方向时可以建模不止一个朝向。2012年有一篇Science的文章,就是用这种方法表明大脑中普遍存在白质纤维束的网状交叉结构 (Wedeen et al., 2012)。当然,这个结果也有一些争议。另一个问题是,弥散成像的方法对于大的白质纤维束比较有效,但对小的纤维束特别是临近灰质甚至灰质内部的纤维束却很难追踪。这也是与分辨率有关的。但2012年Cerebral Cortex上有一篇文章,使用弥散成像技术第一次显示了皮层上不同层之间的纤维联系 (Leuze et al., 2012)。这在技术上也是非常大的进步。

总之弥散成像是目前一个非常热门的研究领域。在技术上也还远没成熟。随着技术的不断发展,人脑的结构连接的Connectome会越来越精细。


%%今天先写到这,以后再慢慢更新。%%

Jarrell TA, Wang Y, Bloniarz AE, Brittin CA, Xu M, Thomson JN, Albertson DG, Hall DH, Emmons SW, 2012. The connectome of a decision-making neural network. Science 337(6093):437-44.
Leuze CW, Anwander A, Bazin PL, Dhital B, Stüber C, Reimann K, Geyer S, Turner R, (2012). Layer-Specific Intracortical Connectivity Revealed with Diffusion MRI. Cereb Cortex. [Epub ahead of print]
Sporns O, Tononi G, Kötter R, 2005. The human connectome: A structural description of the human brain. PLoS Comput Biol 1(4):e42.
Wedeen VJ, Rosene DL, Wang R, Dai G, Mortazavi F, Hagmann P, Kaas JH, Tseng WY, (2012). The geometric structure of the brain fiber pathways. Science 335(6076):1628-34.

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支持者: bys_1123 pimgeek 某骑

TED演讲有一期叫我是我的连接组,关于神经网络的,推荐看一下

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小骗子生物技术学士

2012-12-19 11:28
支持者: 某骑

啊,终于开始了
TED 我是我的连接体
http://tonymeng.me/post/2012-01-27/16430239

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你看得见我教育无边界字幕组概率课组长

2013-04-19 23:29

原来这个翻译成中文是连接组学啊

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