75、迈向人类纳米级连接体：神经元形态格式、建模与存储需求估计

迈向人类纳米级连接体：神经元形态格式、建模与存储需求估计

1. 引言

人类大脑赋予我们感知、运动、行为、情感等诸多能力，还掌控着认知、学习、语言和记忆等高级功能，同时维持着身体的自动运行和生存。理解大脑的结构、功能和功能障碍是一项巨大的科学挑战，也是社会的迫切需求和巨大的市场机遇。

大脑虽体积仅约 1400 立方厘米，却拥有约一千亿个神经元和一千万亿个连接，是已知宇宙中最复杂的器官。随着社会老龄化，三分之一的成年人患有神经系统疾病，这类疾病占所有疾病的 13%，且治疗成本高昂且不断增加。因此，大脑研究成为继太空探索之后的又一重大科技浪潮，众多大型项目正在开展以揭开大脑的奥秘。

生成不同空间尺度的大脑连接体（即神经连接的完整图谱）是关键挑战之一。这对于理解神经回路如何编码信息以及大脑在健康和疾病状态下的工作机制至关重要，还能推动神经形态计算、人工智能等非医疗领域的应用发展。目前，纳米级连接体仅在一些小动物（如秀丽隐杆线虫、海鞘幼虫和果蝇）的大脑中完成构建，人类宏观连接体已通过解剖和功能连接成像技术构建，但纳米级连接体尚未创建。

获取完整的人类大脑微观和纳米级图谱面临的一个关键障碍是数据采集时间过长。例如，采用果蝇的成像方案对整个人类大脑成像估计需要 1700 万年。不过，随着成像技术的进步，采集时间大幅缩短。同步辐射 X 射线断层扫描技术有望将亚细胞水平的全脑采集时间缩短至几年，该技术能提供高空间分辨率的组织成像，可达到单个突触水平。然而，目前的空间分辨率仍不足以完整呈现神经元及其树突和轴突。

现有的神经元形态存储和共享格式（如 SWC、Eutectic 和 Neurolucida）在纳米级描述神经元方面存在不足，无法满足确定突触和神经回路的