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第271話：大腦逆向工程

大腦逆向工程來啦！腦影像的次元刀「神經獵犬」（NeuroRetriever），將腦細胞從複雜無比的大腦影像中一個個「切」出來，再重組為完整的大腦網路！

腦科學可說是21世紀最重要的科學研究領域之一。在台灣，清華大學「腦科學研究中心」，在江安世院士的帶領之下，也成為這個領域中的頂尖團隊之一。

大腦是「人之所以為人」的關鍵器官，也是人類知識最後的秘境，人類用大腦來理解從基本粒子到宇宙，可是我們卻對大腦本身所知卻極為有限；大腦如何運作、相關疾病的成因與治療，都是現代醫學感到棘手之處。

最近十幾年來，腦科學的研究起了很大的變化，以類似「人類基因體」計畫的模式，提出了「連結體」（connectome）的概念：總之先把大腦中神經細胞的連結圖畫出來再說，「為什麼要這樣連」，「連了以後要幹什麼」這些問題，就先別管了，以後再慢慢研究。

不過光是這一步就很困難，因為大腦的結構實在太複雜了！曾經有人估計，如果我們要把包含860億個神經細胞以及細胞間數以兆計連結的人類大腦的完整圖譜畫出來，得花上數萬年的時間或更久，所幸這幾年顯微影像技術越來越進步，解析度逐漸提高，取像速度也越來越快，似乎讓「破解人腦」變成「我們有生之年可能完成的目標」。

只是大腦影像實在太複雜，要把它拆解成個別腦細胞影像，當作組合大腦網路的零件，過去需要靠人工，把腦細胞從原始影像中「圈」出來。清大腦科學中心於2011年發表了全世界第一個動物大腦連結圖譜，就花了十年的時間，從養果蠅、取影像，以人工方式切出了大約兩萬個神經元，然後重組成大腦網路，這個成果舉世注目，獲得「紐約時報」的大幅報導。

但此時也凸顯了一個問題：取像速度越來越快，解析度也越來越高，影像的處理與分析靠人力會跟不上取像的速度，非得自動化不可。

東海大學應用物理系的施奇廷教授（咦這不就是我嗎）、清大江安世院士、中山大學物理系李定國院士（兩位院士也是本系合聘講座教授）、以及國家高速網路與計算中心的陳南佑博士，共同開發了自動切割神經元的演算法「NeuroRetriever」，可以自動切割神經元。實驗的結果，過去以人工方式花了十年的影像處理工作，交給演算法，不到一個禮拜就完成了。未來實驗團隊取像的速度越來越快，這個演算法能夠接手後續的分析工作，將有助於建立大腦結構連結地圖。

這個研究，發表於7月22日的「系統神經科學前線」（Frontiers in Systems Neuroscience，2020 影響係數 ＝ 3.20）。這個技術，也取得了台灣以及美國的專利。

心得：跨領域研究真的很辛苦，作者群中都是物理學家與生物學家，沒有一個是電機資工影像處理出身的，這一篇寫了N年，從「Nature Biotechnology」、「Nature Methods」開始，被退稿無數次，後來想說算了，不要挑戰這種超豪華期刊，還是趕快出版吧，也算是學術人生中寶貴的一刻。

Frontiers in Systems Neuroscience論文（2021/07/23）：https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnsys.2021.687182/full