科學家追踪果蠅大腦中全部 5450 萬個連接

在一隻果蠅的大腦中，神經細胞自行編織在一起，實現飛行、交配、進食、睡眠以及果蠅生命中的所有其他活動。現在，在 10 月 2 日發表的 9 篇論文中自然，科學家報告說她的神經細胞的第一張完整圖譜— 確切地說，總共 139,255 個 — 以及它們的 5450 萬個連接。

這張全腦圖是經過多年精心繪製的，雖然很小但很精緻：它包含 149.2 米的神經線路，全部整齊地排列在罌粟籽大小的大腦中。因此，這張圖顯示了神經信息如何在細胞之間流動黑腹果蠅一種比人類簡單但又足夠複雜的動物，對於試圖了解其大腦的人們來說仍然很神秘。

“這項工作絕對令人著迷，”布盧明頓印第安納大學的神經科學家奧拉夫·斯波恩斯 (Olaf Sporns) 說。早在 2005 年，他和他的同事就創造了“，”對神經細胞或神經元之間連接的解釋（序列號:2014年2月7日）。此後的近 20 年裡，科學家繪製了更多的連接體圖譜，包括男性和雌雄同體的連接體線蟲蠕蟲,,和，以及成年果蠅大腦的一部分（序列號:23年3月9日;序列號:2019 年 8 月 7 日;序列號:24/5/23）。這種最新的果蠅連接體是同類中最大的。

“當連接組學剛開始時，創建像本作品中呈現的那樣的地圖幾乎就像科幻小說一樣，”斯波恩斯說。 “現在，令人驚奇的是，它就在這裡。”

該項目涉及雌性果蠅大腦 7,000 多個薄片的電子顯微鏡圖像，以及對齊神經元復雜卷鬚的機器學習，通過不同的切片追踪細胞。機器學習使研究人員能夠接近整個連接組。 “但人類仍然需要糾正錯誤，”計算神經科學家斯文·多肯瓦爾德（Sven Dorkenwald）說，他曾在普林斯頓大學參與該項目，現在在艾倫腦科學研究所和西雅圖華盛頓大學工作。來自 50 多個實驗室的數百名人員用肉眼校對了這張圖，確保細胞的形狀與看上去的一樣。這是一項艱鉅的工作，從開始到結束。

普林斯頓大學計算神經科學家塞巴斯蒂安·承 (Sebastian Seung) 表示：“我們是否認為要花這麼長時間，比如差不多 20 年後我們才會擁有果蠅連接組？可能不會。” “但過於樂觀的人會推動進步。”

Seung 說，在早期，繪製連接組圖“是一種逆向思維”。 “大多數人認為這很瘋狂。有兩種反對意見。一是不可能，二是即使成功了，數據也沒用。”

但這些數據已經證明了它們的實用性，揭示了細胞細節和關於大腦如何工作的有趣暗示。例如，整個果蠅大腦中只有兩個 CT1 神經元，每個神經元都參與感知光和運動的變化。每個神經元延伸到整個眼睛並產生大量突觸——地圖顯示超過 148,000 個。

另一項分析將一些神經元分類為“集成器”類別，這些神經元從其他細胞或“廣播器”接收大量信息，這些神經元向大量受眾發送信號。這些擴音器細胞可能有助於信號傳播，但方式是有選擇性的。

隨著連接組的繪製，科學家們開始建立信息如何在大腦中流動的計算機模型。 “你從神經元之間的連接開始，然後用它來幫助你構建網絡模擬，”Seung 說。 “這是一種完全顯而易見的方法，但如果沒有連接組，你就無法做到。”

例如，一項新研究表明味覺神經元​​如何激活其他下游細胞。 Seung 說，這只是開始。 “我對科幻愛好者開的玩笑是，為了這個實驗，確實必須犧牲一隻蒼蠅，但這只蒼蠅可以在模擬中永遠生存。”

Sporns 還展望了未來：“我預見未來連接組圖將變得更加全面和詳細，很快就會包括小鼠和人類等脊椎動物的大腦，”他說。這些圖譜將有助於回答有關大腦連接組的重大問題——它們在個體之間是否存在差異，它們是否會隨著時間的推移而變化，以及它們是否可以幫助預測行為。