科学家首次绘制出整个果蝇大脑的细节图

由普林斯顿大学领导的神经科学家团队通过一只成年果蝇（Drosophila melanogaster）的大脑，绘制了一张逐个神经元和逐个突触的路线图--科学上称为"连接组"，从而在理解人类大脑方面迈出了一大步。

对于许多令人心碎的脑部疾病，如痴呆症、帕金森氏症、阿尔茨海默氏症等，医生只能对症下药。为什么？ 因为治疗我们不了解的东西是一件令人困惑的事情，而人类大脑有数百万个神经元，由100万亿个突触连接，其复杂程度几乎令人绝望。

普林斯顿大学领导的科学家团队首次建立了成年果蝇大脑的详细连接组，这是一个拥有近14万个神经元的复杂网络。《自然》杂志对神经科学领域的这一重大进展进行了报道，多家全球机构参与了这项工作，凸显了果蝇大脑的复杂性及其对人类神经系统疾病的潜在启示。

由普林斯顿大学领导的研究人员绘制了第一张详细的逐神经元和逐突触的成年果蝇（Drosophila melanogaster）大脑路线图，实现了大脑研究的一个重要里程碑。 这项研究是10月2日《自然》（Nature）特刊的旗舰文章，该特刊专门讨论了新的果蝇"连接组"。

之前的研究绘制了拥有302个神经元的秀丽隐杆线虫的大脑图谱，以及由大约3000个神经元组成的果蝇幼虫的大脑图谱。 然而，成年果蝇的大脑要复杂得多，有近 14 万个神经元和约 5000 万个连接神经元的突触。

果蝇与人类共享60%的DNA，每四种人类遗传疾病中就有三种与果蝇相似。 了解果蝇的大脑是了解人类等更大更复杂物种大脑的垫脚石。

这张图片显示了完整的果蝇连接体：一只成年果蝇大脑中的全部 139 255 个脑细胞。 这些神经元的活动驱动着整个生物体，从感官知觉到决策再到飞行。 这些神经元之间有 5000 多万个连接点（突触）。 一个由普林斯顿大学的游戏玩家、神经科学家和专业追踪者组成的团队，利用 2100 万张图片，煞费苦心地绘制出了每个脑细胞的位置和连接。 图片来源：Tyler Sloan / FlyWire / 普林斯顿大学

"这是一项重大成就，目前还没有其他如此复杂的成年动物全脑连接组。"普林斯顿神经科学研究所所长马拉-穆尔西（Mala Murthy）说，他和塞巴斯蒂安-盛（Sebastian Seung）是研究小组的共同负责人。Murthy 还是普林斯顿大学卡罗尔和玛妮-马辛 96 级神经科学教授。

普林斯顿大学的Seung和Murthy是《自然》期刊旗舰论文的共同资深作者，该期刊包括九篇作者重叠的相关论文，分别由普林斯顿大学、佛蒙特大学、剑桥大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、柏林自由大学和马克斯-普朗克佛罗里达神经科学研究所的研究人员领导。 这项工作的部分经费来自美国国立卫生研究院的BRAIN计划、普林斯顿神经科学研究所的贝索斯神经回路动力学中心和麦克唐纳系统神经科学中心，以及本文末尾列出的其他公立和私立神经科学机构和基金。

这张地图显示了果蝇大脑连接组中最大的 50 个神经元的精确位置和排列。 这 50 个神经元以及成年果蝇大脑中的另外 139 205 个脑细胞，是由普林斯顿大学领导的神经科学家、游戏玩家和专业追踪者团队精心绘制的。 这些神经元（脑细胞）的活动驱动着生物体的一切活动，从感官感知到决策再到控制飞行。 大脑细胞之间有 5000 多万个连接点（突触）。 图片来源：Tyler Sloan 和 Amy Sterling / FlyWire / 普林斯顿大学

该地图由位于普林斯顿大学的飞线联盟（FlyWire Consortium）开发，该联盟由全球超过 76 个实验室的团队和 287 名研究人员以及志愿游戏者组成。

斯文-多肯瓦尔德（Sven Dorkenwald）是旗舰论文《自然》（Nature）的主要作者，他是飞线联盟的带头人。

多肯瓦尔德是普林斯顿大学2023届博士毕业生，现就读于华盛顿大学和艾伦脑科学研究所。他说："就像如果没有Google地图，你就不想开车去一个新地方一样，如果没有地图，你也不想探索大脑。 我们所做的就是绘制大脑地图集，并为所有企业、建筑和街道名称添加注释。 有了这些，研究人员现在就有能力在我们试图了解大脑的过程中，深思熟虑地为大脑导航了。"

就像一张描绘出每条小巷和每条高速公路的地图一样，果蝇连接体显示了果蝇大脑中各种规模的连接。

果蝇大脑中约 100 个运动神经元的 3D 效果图。 这些神经元控制着果蝇的口腔部位。 颜色与它们投射的神经相对应。 图片来源：FlyWire.ai、Philipp Schlegel（剑桥大学/英国皇家研究中心 LMB）

这幅图是由达维-博克（Davi Bock）领导的科学家团队根据2100万张雌果蝇大脑图像绘制的。 研究人员和软件工程师与普林斯顿大学的塞巴斯蒂安-盛（Sebastian Seung）合作建立了一个人工智能模型，利用这个模型，这些图像中的肿块和圆球被转化成了带标签的三维地图。 研究人员并没有对他们的数据保密，而是从一开始就向科学界公开了他们正在绘制的神经图谱。

苍蝇视觉系统中 75k 个神经元的 3D 效果图。 图片来源：FlyWire.ai、Philipp Schlegel（剑桥大学/MRC LMB）

"人工智能计算技术的进步使绘制全脑图成为可能。 手动重建整个线路图是不可能的。" 这项研究的共同负责人之一、普林斯顿大学埃夫宁神经科学教授兼计算机科学教授塞巴斯蒂安-承教授说："这是人工智能如何推动神经科学向前发展的展示。现在我们有了这张大脑地图，就可以将哪些神经元与哪些行为相关的问题一网打尽。"

这项研究成果可以为脑部疾病提供量身定制的治疗方法。

美国国立卫生研究院大脑神经网络计划（BRAIN Initiative）主任约翰-恩盖（John Ngai）说："在许多方面，它（大脑）比人类制造的任何计算机都要强大，但在大多数情况下，我们仍然不了解它的内在逻辑。如果不详细了解神经元之间是如何相互连接的，我们就无法基本了解健康大脑中的正确现象或疾病中的错误现象。"

编译自/SciTechDaily