Nature:艾伦研究所公布迄今为止规模最大的脑数据集

艾伦脑观测站(Allen Brain Observatory)发布前所未有的对老鼠视皮层活动的研究。

当这只老鼠观看图像(例如本图中的猫)时,研究员们操控老鼠的脑活动。

华盛顿州西雅图的神经科学家受到天文学家探索宇宙的大规模巡天观测  (sky surveys) 的启发,用四年时间系统地研究了老鼠视觉皮层的神经活动。艾伦脑观测站于 7 月 13 日第一次公布数据,提供了一份公众可获取的数据集,此数据集在大小和范围上都史无前例,旨在帮助科学家理解人脑并建立模型。

此项目属于艾伦脑科学研究所 2012 年宣布的一项雄心勃勃的脑研究十年计划的一部分。其计划是详尽无遗地将神经元和它们的电特性分门别类,达到重新认识感知和认知是如何产生的目的。

为了编写大脑观测站的第一批数据集,研究员们使用专业显微镜记录神经元兴奋时出现的钙波信号( calcium wave),他们让动物接收一连串视觉刺激,比如线条的移动、自然风景图片或短视频,观测 25 只老鼠样本在 360 次以上这样的实验环节中的脑活动。

迄今为止,数据集包括了视皮层 4 个区域的 18,000 个细胞,成为此领域中目前最大的、最全面的数据集。此数据集还包括关于每个神经元的位置和特定基因标记物的表达的信息。30 TB 大小的原始数据是如此之大,以致于不能轻易分享传播。但是用户可以下载更易操作的处理过后的数据集,或者自己在网上探索(如何压缩数据)。

「这太让人惊奇了,」位于纽约的冷泉港实验室的神经科学家 Anne Churchland 说,「就我所知,还没人观测过如此多的脑区进行这么多的刺激——尤为重要的是,这些数据都能免费获取。」

其它实验室也收集了类似数据,但是它们的数据量小得多,只有少量动物或少数神经元。由于不同物种、技术或检测的脑区存在不同之处,收集到的信息很难进行融合和比较。而且,绝大多数数据仍然存留在单个的实验室里。

为了创建异常大量的艾伦数据集,超过 100 位研究员为实验的每一阶段开发和使用标准设备,并制定和实施了协议。这让他们能在许多动物身上以及实验环节中反复且系统地采样同样数量的神经元。

现在,艾伦研究所研究员们计划监测老鼠执行行为任务时的脑活动。科学家们也想运用更多记录技术,将他们的研究样本延伸到老鼠的整个视皮层甚至其他脑区。Christof Koch 是艾伦研究所的主席,他希望在接下来的 3 到 4 年里,此项目将发展为真正的观测站,有研究者申请某些实验,并将研究成果公诸于世。

此项目的神经活动图可能帮人们搞清楚大脑中的细胞类型以及它们一起运作的原理。最终,艾伦研究所想让其研究员们和其他人能够使用大规模数据集揭示构成认知基础的基本计算原则。美国政府的「通过推进神经技术创新发展脑研究」计划 (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies, BRAIN)也拥有相同的崇高目标,此计划是在 2013 年启动的。但是,BRAIN 计划在很大程度上支持个人和小型科研团队,给他们提供传统的资金补助,而艾伦研究所集中将人力和金钱用于少数几个庞大项目。

Koch 说,具备了全面研究神经活动的手段,理论家就能为大脑功能设计出更精确的模型,而且找到测试已有模型有效性的更好途径。但是,他也是实事求是的,意识到了前路的挑战。他说:「我们不会产生这样的妄想,误以为我们已经有了所有数据,答案会自己跳出来站在我们面前。」

艾伦脑观测站的影响将部分取决于神经科学领域是否在公共研究中拥抱这一实验。研究员们的早期反应表明他们渴望想加入这样的计划中。Churchland 说,关于不同视觉区域如何对刺激做出反应的深度信息,有益于指导和优化调整她的实验。她还补充到,这些数据也能帮助那些缺乏高度专业化成像设备的实验室。

理论家也期待能钻研这些数据。「这基本上是一座金矿,」位于康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学计算神经科学家 Steven Zucker 说,「就好像有人为全世界理论家打开了世界上最大的神经科学实验室的大门,说,『欢迎您进来与我们的数据愉快地玩耍。』」

本文选自:Nature,作者:Helen Shen,机器之心编译;

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