迄今最完整果蝇大脑“地图”公布，或启发新一代AI系统设计

3月10日，迄今为止最完整的果蝇幼虫全脑神经元连接组图谱——“大脑地图”在线发表在国际学术期刊《科学》（Science）杂志上。这一研究成果将支持未来的脑科学研究，并启发人们设计出新一代人工智能系统。

3月7日，该论文通讯作者之一、英国剑桥大学教授阿尔伯特·卡尔多纳（Albert Cardona）告诉澎湃科技，“这为未来了解大脑如何在疾病和演化中变化的研究奠定了基础。”

阿尔伯特·卡尔多纳表示，一个令人兴奋的发现是，其大脑强大的计算能力不仅来自于一个神经元层与下一个神经元层之间的连接，而且来自于跨层的连接。这种类型的神经结构，可以最大限度地减少所需的神经元数量，减少新陈代谢成本，而不影响计算能力。

阿尔伯特·卡尔多纳称，“在这些关键的发现中，我想说的是，我们发现大脑有多么强烈的递归性。这也是强大的人工神经网络架构的另一个特点。”最具递归性的神经结构与大脑学习中心的输入和输出神经元有关。

研究人员表示，随着更多的幼虫和其他相关物种的“大脑地图”被绘制出来，人们将能更好地理解大脑“布线”的方式和变化，揭示更多的计算原理。

该论文另一位通讯作者、美国约翰·霍普金斯大学助理教授约书亚·沃格尔斯坦（Joshua T. Vogelstein ）向媒体表示，如何编写一个人类大脑网络的程序或代码，“这是我们想要了解的。”"我们对果蝇‘代码’的了解，将对人类的‘代码’产生影响。”

12年努力，研究人员最终绘制出包含了3016个神经元和548,000个突触的果蝇幼虫大脑神经元连接组图谱。

什么是“大脑地图”？

人类大脑由各种不同类型的神经元细胞组成，这些神经元的轴突像森林中的藤蔓一样纵横交错，将信号传递到不同的脑区。而且，神经元的投射模式与不同的脑功能密切相关。

因此，了解大脑的工作原理，需要深入研究大脑神经网络的构成和连接。绘制高分辨率的大脑神经元连接图谱，即所谓的“大脑地图”，成为脑科学研究的必然选择。

沃格尔斯坦表示，已经过去50年了，这是果蝇的第一个全脑“地图”。“它是一个里程碑，证明我们能够做到这一点。”

人类尝试制作的第一个大脑“地图”，是线虫的，开始于1970年代，耗时长达14年。

自那以后，包括果蝇、小鼠，甚至人类大脑的部分连接图谱陆续被绘制，但都仅代表了大脑的一小部分“地图”。

最新发表的研究由来自美国约翰·霍普金斯大学和英国剑桥大学的研究人员合作完成。论文的标题是《昆虫大脑连接组》（The connectome of an insect brain）。

通过连续切片、成像和三维重建，研究人员最终绘制出包含了3016个神经元和548,000个突触的连接组图谱。

如何绘制果蝇的“大脑地图”？

阿尔伯特·卡尔多纳向澎湃科技表示，他们在研究中遇到诸多困难。该研究项目开始于2010年，对黑腹果蝇幼虫的完整中枢神经系统的5000个连续的40纳米厚的切片进行预处理已经是一个巨大的挑战。因为每个切片都很脆弱，很容易丢失或损坏。在预处理后，以纳米级的分辨率对它们进行成像，需要3台透射电子显微镜同时工作6个月，这是另一个重大挑战。在成功成像后，他们仍然需要将几十万个单独的图像对齐，以三维重建其所有神经元和突触，来绘制其整个大脑的所有“电路”。

研究团队特意选择了果蝇幼虫，因为对于昆虫而言，这种物种与人类有许多基本生物学方面的共同之处，包括类似的遗传基础。它还具有丰富的学习和决策行为，使它成为神经科学中一个有用的模式生物。

剑桥大学和约翰·霍普金斯大学的研究工作花费了12年时间。仅成像一个神经元就需要一整天时间。

剑桥大学的研究人员创建了高分辨率的大脑神经元图像，并研究这些图像来找到每个单独的神经元，严格地追踪每个神经元的突触连接。

从“虫脑”到“人脑”

“（但这）仅仅是一个起点。然后，一个主要的挑战是分析大脑的‘电路’。”阿尔伯特·卡尔多纳称。

研究人员希望通过分析果蝇神经系统中的信息处理机制，启发新的机器学习架构，并启发对人类大脑复杂功能的探索，未来尝试开发一种能够模拟人脑思维的计算机程序。

阿尔伯特·卡尔多纳表示，在教科书中，神经元在其树突上整合输入，然后通过其轴突向其他神经元传递信号。但在现实生活中，对于所有动物物种的大脑来说，无论是脊椎动物还是无脊椎动物，轴突也会接受大量的输入突触，而树突经常呈现输出突触。这导致我们将所有的神经元连接分成4种类型：典型的轴突-树突突触，然后是轴突-轴突，树突-树突，以及树突-轴突。典型突触的数量最多，树枝-轴突触的数量最少，它们所定义的“电路”的特征有明显的不同。

约翰·霍普金斯大学研究团队接收到剑桥大学的数据后，花费了超过三年时间，使用自己创建的原始代码来分析大脑神经元的连接性，找到神经元的群组，然后分析信息如何在其大脑中传播。

研究人员发现，这一大脑中最繁忙的电路是输入和输出学习中心的神经元。

2022年11月28日，研究人员将上述论文上传到预印本网站bioRxiv上公开，三个多月被《自然》期刊在线发表。

人类大脑有着上千亿个神经元细胞，彼此之间联结形成世界上最复杂的网络，我们所有的认知、情绪、决策等都有赖于这一网络。

中国“脑计划”的领军人物、中国科学院院士蒲慕明在一次演讲中提到，脑科学研究的目标很明确，就是要阐明脑功能的神经基础和工作原理，理解大脑是如何工作的；同时，也希望从大脑的研究当中得到一些启发，能够模拟大脑，得到更高的智能人工器件，包括智能机器人。