科学家绘制果蝇大脑图谱以揭示神经回路见解

由美国国立卫生研究院 (NIH) 大脑计划支持的科学家团队，包括 UVM 医学院神经科学副教授罗伯特·拉纳 (Robert Larner) 医学博士戴维·博克 (Davi Bock) 博士，最近在通过成功绘制黑腹果蝇（通常称为果蝇）整个大脑的神经生物学研究。

该研究的标题为“果蝇的全脑注释和多连接组细胞分型”发表于自然建立了“共识细胞类型图谱”或综合指南，用于了解果蝇大脑中不同类型的细胞。果蝇的大脑含有约13万个神经元（人脑含有860亿个；在科学研究和测试中经常代表人类的老鼠有1亿个神经元）。

全脑连接组（称为 FAFB，或“成年果蝇大脑”）底层的电子显微镜数据集使用果蝇大脑中每个神经元的详细形状以及所有在它们之间识别和编目所有在大脑中。

这张完整的地图将帮助研究人员确定不同的电路如何协同工作来控制诸如、求爱、决策、记忆、学习和导航。

研究共同负责人格雷戈里·杰弗里斯博士表示：“如果我们想了解大脑如何工作，我们需要从机制上了解所有神经元如何组合在一起并让你思考。”

“对于大多数大脑来说，我们不知道这些网络是如何运作的。现在对于苍蝇来说，我们有了完整的接线图，这是理解复杂大脑功能的关键一步。事实上，使用我们工作时在线共享的数据，其他科学家我们已经开始尝试模拟果蝇大脑如何对外界做出反应。”

杰弗里斯说：“为了开始数字化模拟大脑，我们不仅需要了解大脑的结构，还需要了解神经元如何相互打开和关闭。”

“利用我们工作时在网上共享的数据，其他科学家已经开始尝试模拟果蝇大脑如何对外界做出反应。这是一个重要的开始，但我们需要收集许多不同类型的数据来对大脑如何运作进行可靠的模拟。”

虽然对更简单的生物体（例如线虫和果蝇的幼虫阶段）进行了类似的研究，但成年果蝇提供了更复杂的行为可供研究。尽管果蝇的大脑显然没有人类甚至老鼠的大脑复杂，但这项研究的意义是深远的。

在如何进行方面存在巨大的共同点所有物种过程信息；这项工作可以在更简单的模型生物体中识别信息处理的原理，然后在更大的大脑中寻找信息处理的原理。

博克指出，科学家目前无法将这种方法推广到人脑，但他指出，这一成就代表着朝着小鼠大脑完整连接组迈出了值得注意的一步。

“这种类型的工作（在连接组学领域进行的）以百年一遇的方式推进了最先进的技术，使我们能够绘制完整大脑中每个神经元的形状和连接。相当复杂的动物，成年果蝇，并通过尖端软件分析来注释和挖掘由此产生的连接组，”博克说。

“两者都不“即使使用多色荧光”，经典的高尔基方法及其相关方法也无法提供这种能力。

“在果蝇等重要遗传模型生物的整个大脑规模上实现这一壮举代表了该领域的显着进步。”

这项研究利用了由飞线联盟，其中包括 UVM 的 Bock 等研究负责人； Gregory Jefferis 博士和 Philipp Schlegel 博士，来自 MRC 分子生物学实验室和剑桥大学；和 Sebastian Seung 博士和普林斯顿大学的 Mala Murthy 博士。

该联盟使用博克实验室之前生成的电子显微镜大脑图像来创建雌性果蝇整个成年大脑中神经元之间连接的详细图谱。该图包括果蝇上述 139,255 个神经元之间的约 5000 万个化学突触。

研究人员还添加了有关不同类型细胞、神经、发育谱系的信息，以及有关神经元使用的神经递质的预测。 FlyWire 的 Connectome Data Explorer 开放式数据分析工具可供下载，并且可以交互浏览 - 所有这些都是本着鼓励团队科学的精神完成的。这项工作在随附的自然论文“成人大脑的神经接线图”。

“我们已经向所有研究人员开放并免费提供整个数据库。我们希望这将为试图更好地了解健康大脑如何运作的神经科学家带来变革，”穆尔蒂说。 “未来我们希望能够比较当我们的大脑出现问题时会发生什么，例如在心理健康状况下。”

通过追踪从感觉细胞到运动神经元的连接，研究人员可以发现控制果蝇行为的潜在电路机制，这标志着理解人类认知和行为复杂性的关键一步。

美国国立卫生研究院 (NIH) 主任约翰·魏 (John Ngai) 博士说：“小型果蝇的复杂程度令人惊讶，长期以来一直是了解行为的生物学基础的强大模型。”大脑计划。

“这一里程碑不仅为研究人员提供了一套新的工具来了解大脑中的回路如何驱动行为，而且重要的是，它为绘制更大的哺乳动物和人类大脑的连接图谱的持续努力奠定了先行者的作用。”