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本研究由MICrONS Consortium（机器智能从皮层网络联盟）主导，涉及来自普林斯顿大学、艾伦脑科学研究所、贝勒医学院等21家机构的跨学科团队合作，于2025年4月10日发表在《Nature》期刊（卷640，页435-447）。通讯作者包括Forrest Collman、Nuno Macarico da Costa、Xaq Pitkow等多位资深学者。
科学领域：神经科学、连接组学（connectomics）与计算神经科学的交叉研究。
研究动机：自Francis Crick（1979年）提出“绘制大脑精确连接图谱”的设想以来，理解神经元功能如何受其环路结构调控一直是神经科学的终极挑战之一。传统单细胞实验或电生理记录仅能提供碎片化信息，而结合钙成像（calcium imaging）与电子显微镜（electron microscopy, EM）的“功能连接组学”有望填补这一空白。
研究目标：
1. 构建首个毫米级小鼠视觉皮层功能-结构融合数据集，涵盖约7.5万个神经元的钙成像与20万细胞、5亿突触的EM重建；
2. 揭示视觉信息跨空间整合的计算原理；
3. 建立细胞类型特异性连接规则与基因表达的关联。
研究分为四大核心步骤，整合了跨机构协作的复杂技术流程：
1. 双光子钙成像（Two-photon calcium imaging）
- 对象：清醒转基因小鼠（Slc17a7-cre × Ai162），表达GCaMP6s标记兴奋性神经元。
- 样本量：14次扫描，覆盖初级视觉皮层（VISp）和三个高阶视觉区（VISrl、VISal、VISlm），总计75,909个神经元。
- 刺激范式：自然场景视频（64分钟）与参数化刺激（如方向选择性测试），通过2P-RAM（随机访问介观镜）实现宽视场成像。
- 创新技术：开发自动化分割算法（非负矩阵分解）提取神经元活动信号，结合瞳孔追踪与跑步机行为监测。
2. 电子显微镜重建（Serial section TEM）
- 样本处理：固定后切取1.3×0.87×0.82 mm³组织块，连续切片26,652张（40 nm厚度），耗时6个月完成4 nm分辨率成像（2 PB原始数据）。
- 算法突破：
- 卷积网络：用于图像拼接与非线性对齐，校正切片折叠或裂纹（图4b-c）；
- 亲和力预测模型：全自动分割神经元与突触，检测5.24亿个突触（精度96%）。
3. 功能-结构配准（Co-registration）
- 三阶段配准：
- 人工标记：2,934个血管与胞体标志点对齐EM与2P结构数据（平均误差3.8 μm）；
- 专家验证：手动匹配19,181个功能ROI至15,439个EM神经元；
- 自动化匹配：基于血管分割的B样条配准，最终匹配75,856个ROI（84%准确率）。
4. 数据验证与标注（Proofreading）
- 人工校对：对1,433个神经元进行突触连接修正，最长轴突达18.9 mm（2,483个输出突触）；
- 自动化工具：开发NeURD算法自动拆分错误合并的片段（16.4万次编辑）。
1. 跨视觉区的功能-结构映射
- 细胞类型鉴定：通过形态与连接模式识别兴奋性神经元亚类（如L5厚簇状细胞）和抑制性神经元（如篮状细胞、马丁诺蒂细胞）。
- 连接特异性：兴奋性神经元遵循“同类相联”（like-to-like）原则，且该规律跨皮层层与视觉区普适（图7a-c）。
2. 突触水平连接图谱
- 单细胞分辨率：85个兴奋性神经元的完整轴突-树突重建显示，平均每个神经元形成2,754个突触（最高14,019个）；
- 抑制性调控：马丁诺蒂细胞（Martinotti）优先靶向远端树突，而篮状细胞（basket）抑制胞体近端（图7d）。
3. 功能预测模型
- 数字孪生：基于深度学习构建视觉皮层“基础模型”（foundation model），可预测神经元对自然视频与合成刺激的响应（如方向选择性）。
科学价值：
1. 首个毫米级多脑区连接组：填补了Crick提出的“立方毫米脑组织连接图谱”空白；
2. 跨模态整合范式：为“基因-形态-功能-连接”四维研究提供模板；
3. 开源资源：数据平台（MICrONS Explorer）含交互式工具与API，支持全球学者探索。
应用前景：
- 启发类脑计算架构设计；
- 推动神经精神疾病（如自闭症）的环路机制研究。
此研究标志着连接组学从“技术验证”迈向“全脑尺度解密”的新阶段，为理解大脑计算原理奠定了里程碑式的基础。