Credit: EPFL -蓝色大脑项目
EPFL蓝色大脑项目创造了第一个神经胶质血管结构的数字重建，为研究健康和疾病中的大脑功能提供了一个新的框架
这项发表在《大脑皮层》上的研究代表了一个重要的里程碑:研究人员现在可以重建非神经元实体的结构，如血管和称为神经胶质的支持细胞
这些脑组织的重建提供了亚微米级的精确框架，以模拟与理解神经元如何被支持和培养相关的分子相互作用
当你阅读这篇文章时，你的大脑正在让神经元和神经胶质参与处理信息
这最终增加了对神经元代谢能量的需求，导致能量产生的增加和近端血管直径的局部变化，以平衡这种需求
在这些影响中起作用的大脑中的两个主要细胞类别，神经元和神经胶质的复杂结构组织被称为神经元-神经胶质-血管(NGV)系统
现在，蓝脑科学家第一次数字化重建了这个系统的结构，包括神经元、神经胶质和血管
“我们使用Blue Brain最先进的神经微电路模型，以亚微米分辨率创建了NGV架构的数据驱动数字重建(Markram等人
, 2015)
我们将后者与文献和实验数据相结合，重建了星形胶质细胞(灰质中最常见的gli al型)的空间排列和形态，以及它们与大鼠皮层血管系统的关系，”第一作者Eleftherios Zisis解释道
“我们用电子显微镜数字化绘制了神经胶质的形状，然后用数学方法重现了它们的形状
然后我们构建了一个0
2 mm3的大鼠体感皮层组织，具有16，000个形态详细的神经元、2500个原生质星形胶质细胞及其微血管
我们的重建与其大量实验测量的一致性允许对NGV组织进行新的预测
这允许重叠星形胶质细胞微域的解剖学重建和连接每个星形胶质细胞和脉管系统的末端脚(包裹在血管周围的星形胶质细胞末端)的量化，以及它们末端脚覆盖血管的程度的量化
这意味着我们可以更深入地了解NGV体系是如何组织和运作的
我们能够对NGV的几何和功能方面同时进行测量，这通常很难用实验装置来实现，”他总结道
稀疏实验数据的计算机重建 实验数据稀疏是科学界一直存在的问题，星形胶质细胞的实验重建尤为困难和昂贵；因此，社区不能轻易获得创建完整电路所需的细胞数量——电路可能需要数千到数百万个细胞，这取决于要重建的大脑区域的大小
Blue Brain已经开发了一种新的数学方法，使用拓扑学来描述神经元的分支结构(Kanari等人)，我们将这种方法应用于具有更细分支的星形胶质细胞，为每个星形胶质细胞dom ain创建数千个独特的星形胶质细胞形态，从而解决了实验数据不足的问题
“通过收集神经组织的统计数据，一幅关于星形胶质细胞在大脑中是如何组织的连贯画面出现了，”蓝色大脑分子系统团队的负责人丹尼尔·凯勒说
“我们希望分享我们的发现将激励实验者了解什么类型的数据对他们的方法最有用，并将为如何整合新数据提供一个框架
为了确保生物保真度，根据解剖学研究和实验测量中报告的不同细节水平的值，从星形胶质细胞的数量到单个星形胶质细胞的结构，验证了NGV回路
" 电子方法最大限度地减少了科学发现的成本和时间 NGV的“蓝色大脑”电脑解剖重建并不寻求取代实验测量，而是将科学发现所需的成本和时间降到最低
算法生成的NGV电路可以作为大脑复杂性的放大镜，让科学家探索其细胞及其连接的几何形状和拓扑结构
此外，创建多个NGV回路，每个回路具有反映大脑解剖结构变化的不同参数集，可以更好地理解解剖原理及其几何约束
有了这些见解，科学家可以开发更集中的实验，节省时间和成本
此外，该研究表明，NGV体系结构的电子电路可以同时量化其实体的组成(密度、布线、表面积和体积)和组织(连接性、距离分布、相关性)方面，并研究与细胞类型组成的复杂性及其与计算能力的关系有关的问题
药物输送和神经退行性疾病研究的促进者 “人们需要对NGV系统的解剖结构有一个非常高分辨率的观察，才能开始理解病理和可以开发什么样的治疗方法，”Blue Brain创始人兼董事教授说
亨利·马克拉姆
“药物输送研究研究药物和分子之间的相互作用，以及分子如何在受限空间中相互作用
这个蓝色大脑模型为生物物理模型提供了一个结构基础，以探索神经元、神经胶质和脉管系统之间的串扰，其分辨率在以前是不可能的
" 类似地，对神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)的研究以反应性星形胶质细胞为目标，与健康大脑相比，星形胶质细胞的形态随着其分支、重叠和增殖的变化而完全改变
对于这两种情况，随着更多实验数据的出现、新的生物物理模型的发布以及新问题的出现，这种数据驱动的方法允许逐步改进，”他总结道
通过重建NGV的结构基础，蓝脑的下一步是模拟NGV乐团内部发生的代谢过程，以及NGV组件介导的血流调节，所有这些都可以通过蓝脑NGV门户免费获得
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