科學家繪製果蠅大腦圖譜以揭示神經迴路見解

由美國國立衛生研究院 (NIH) 大腦計劃支持的科學家團隊，包括 UVM 醫學院神經科學副教授羅伯特·拉納 (Robert Larner) 醫學博士戴維·博克 (Davi Bock) 博士，最近在通過成功繪製黑腹果蠅（通常稱為果蠅）整個大腦的神經生物學研究。

該研究的標題為“果蠅的全腦註釋和多連接組細胞分型”發表於自然建立了「共識細胞類型圖譜」或綜合指南，用於了解果蠅大腦中不同類型的細胞。果蠅的大腦含有約13萬個神經元（人腦含有860億個；在科學研究和測試中常代表人類的老鼠有1億個神經元）。

全腦連接組（稱為 FAFB，或“成年果蠅大腦”）底層的電子顯微鏡數據集使用果蠅大腦中每個神經元的詳細形狀以及所有在它們之間識別和編目所有在大腦中。

這張完整的地圖將幫助研究人員確定不同的電路如何協同工作來控制諸如、求愛、決策、記憶、學習與導航。

研究共同負責人格雷戈里·杰弗里斯博士表示：“如果我們想了解大腦如何工作，我們需要從機制上了解所有神經元如何組合在一起並讓你思考。”

「對於大多數大腦來說，我們不知道這些網路是如何運作的。現在對於蒼蠅來說，我們有了完整的接線圖，這是理解複雜大腦功能的關鍵一步。事實上，使用我們工作時在線共享的數據，其他科學家我們已經開始嘗試模擬果蠅大腦如何對外界做出反應。

傑弗里斯說：“為了開始數位化模擬大腦，我們不僅需要了解大腦的結構，還需要了解神經元如何相互打開和關閉。”

「利用我們工作時在網路上共享的數據，其他科學家已經開始嘗試模擬果蠅大腦如何對外界做出反應。這是一個重要的開始，但我們需要收集許多不同類型的數據來對大腦如何運作進行可靠的模擬。

雖然對較簡單的生物體（例如線蟲和果蠅的幼蟲階段）進行了類似的研究，但成年果蠅提供了更複雜的行為可供研究。儘管果蠅的大腦顯然沒有人類甚至老鼠的大腦複雜，但這項研究的意義是深遠的。

在如何進行方面存在著巨大的共同點所有物種過程資訊；這項工作可以在更簡單的模型生物體中識別訊息處理的原理，然後在更大的大腦中尋找訊息處理的原理。

博克指出，科學家目前無法將這種方法推廣到人腦，但他指出，這項成就代表著朝著小鼠大腦完整連結組邁出了值得注意的一步。

「這種類型的工作（在連結組學領域進行的）以百年一遇的方式推進了最先進的技術，使我們能夠繪製完整大腦中每個神經元的形狀和連接。相當複雜的動物，成年果蠅，並透過尖端軟體分析來註釋和挖掘由此產生的連接組，」博克說。

“兩者都不“即使使用多色螢光”，經典的高爾基方法及其相關方法也無法提供這種能力。

“在果蠅等重要遺傳模型生物的整個大腦規模上實現這一壯舉代表了該領域的顯著進步。”

這項研究利用了由飛線聯盟，其中包括 UVM 的 Bock 等研究負責人； Gregory Jefferis 博士和 Philipp Schlegel 博士，來自 MRC 分子生物學實驗室和劍橋大學；和 Sebastian Seung 博士和普林斯頓大學的 Mala Murthy 博士。

該聯盟使用博克實驗室之前生成的電子顯微鏡大腦圖像來創建雌性果蠅整個成年大腦中神經元之間連接的詳細圖譜。此圖包括果蠅上述 139,255 個神經元之間的約 5,000 萬個化學突觸。

研究人員還添加了有關不同類型細胞、神經、發育譜系的信息，以及有關神經元使用的神經傳導物質的預測。 FlyWire 的 Connectome Data Explorer 開放式資料分析工具可供下載，並且可以互動瀏覽 - 所有這些都是本著鼓勵團隊科學的精神完成的。這項工作在隨附的自然論文“成人大腦的神經接線圖”。

「我們已經向所有研究人員開放並免費提供整個資料庫。我們希望這將為試圖更好地了解健康大腦如何運作的神經科學家帶來變革，」穆爾蒂說。 “未來我們希望能夠比較當我們的大腦出現問題時會發生什麼，例如在心理健康狀況下。”

透過追蹤從感覺細胞到運動神經元的連接，研究人員可以發現控制果蠅行為的潛在電路機制，這標誌著理解人類認知和行為複雜性的關鍵一步。

美國國立衛生研究院 (NIH) 主任約翰·魏 (John Ngai) 博士說：“小型果蠅的複雜程度令人驚訝，長期以來一直是了解行為的生物學基礎的強大模型。”大腦計劃。

「這個里程碑不僅為研究人員提供了一套新的工具來了解大腦中的迴路如何驅動行為，而且重要的是，它為繪製更大的哺乳動物和人類大腦的連接圖譜的持續努力奠定了先行者的作用。