揭秘大脑发育中神经回路如何正确连接，中国学者获国际神经生物学奖，将回国加入西湖大学

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

神经生物学研究在深化人类对大脑及神经系统功能认知方面的重要性日益显著，该领域的探索在未来几十年里似乎注定会实现突破性发展。

为此，生命科学公司Eppendorf与《科学》杂志/美国科学促进会（Science/AAAS）在2002 年设立了Eppendorf & Science 神经生物学奖这一国际奖项，该奖项每年授予一名不超过35 岁的年轻科学家，旨在表彰其在过去三年中，基于分子、细胞、系统或有机体生物学方法所进行的最杰出的神经生物学研究。

近日，2025 年Eppendorf & Science神经生物学奖揭晓，吕程博士获奖【1】，这也是该奖项自 2002 年设立以来，第二次授予中国学者。

吕程，2012 年于北京大学获得物理学学士学位，2015 年于北京大学获得物理学硕士学位，2021 年于洛克菲勒大学获得神经科学博士学位，此后在斯坦福大学进行博士后工作，合作导师为著名神经生物学家、，美国国家科学院院士骆利群教授，研究果蝇神经网络在发育过程中的组装原理。吕程博士将于 2026 年全职加入西湖大学生命科学学院，任特聘研究员，博士生导师。

获奖相关研究解读

吕程博士此次获奖，基于他的一系列大脑神经环路组装的研究。部分研究以：Dimensionality reduction simplifies synaptic partner matching in an olfactory circuit 为题，于 2025 年 5 月 1 日在线发表于Science期刊【2】。其余部分研究见两篇预印本【3、4】。

该系列研究首次揭示果蝇嗅觉环路通过“降维策略”将突触配对问题从三维空间简化为一维线性搜索，为神经环路发育的普适性原理提供了关键证据。研究通过同时调控多个连接分子在发育过程中的表达，成功实现了不同神经元类型之间的特异性重连接，并诱导出雄蝇相互求偶并形成“求偶链”等特定行为表型。（以下内容重点介绍Science论文）。

三维空间中的“配对”难题

如果你置身于一个巨大的立体迷宫，需要在三维（3D）立体空间中寻找唯一正确的目标，显然非常具有挑战性。

而我们的大脑中的神经元所面临的挑战还要远远超越，数以百亿计的神经元的轴突和树突之间如何实现精准配对，以形成复杂的神经网络，这一直是神经科学领域的核心谜题。

在这项研究中，研究团队选择了果蝇嗅觉系统作为模型来探索这一难题，果蝇的触角叶（Antennal lobe）中约 50 种嗅觉受体神经元（ORN）与投射神经元（PN）形成一对一的固定且精准的突触连接（Glomeruli），且这些突触球在三维空间中分布复杂，部分位于表面，部分深埋内部。

传统的观点认为，每个轴突需要在复杂的 3D 空间中“扫描”所有可能的配对伙伴。但该研究发现，大自然采用了一种更聪明的办法。

从 3D 到 2D：表面相遇的智慧

研究团队首先开发了一套能够特异性标记不同类型神经元的技术，从而能够追踪单个神经元在整个发育过程中的变化。他们观察到一个关键现象：无论成年后位于表面还是内部的神经元，在发育早期都会将树突延伸到触角叶表面。

这就像是在一个球形建筑中，所有住户都先到表面“会面”，然后再各自回到自己的立体位置。这种策略将三维搜索问题简化为二维表面上的相遇。

从 2D 到 1D：弧形轨迹的精妙设计

更令人惊叹的是，研究团队发现，每个类型的 ORN 轴突在触角叶表面沿着特定的弧形轨迹移动。这些轨迹就像预设好的线路，确保每个轴突只会经过其正确配对伙伴所在的区域。

通过精确的定量分析，研究团队证实，每个 ORN 类型只需要在其 1D 轨迹附近搜索少数几个候选 PN，而不是从 50 个所有可能性中盲目选择。这种“降维策略”大大提高了连接配对的正确性和效率。

为了验证这一发现，研究团队通过基因操作改变 ORN 轴突轨迹，干扰与其对应的 PN 树突的表面相遇，结果正如预测的那样，配对正确率显著下降。

这项研究的意义远不止解析果蝇嗅觉系统，更有助于理解神经系统发育的深层次原理，也为理解大脑如何构建复杂功能提供了重要线索。

此外，该研究揭示的“降维策略”，可能是自然界解决复杂问题的通用法宝——通过分解难题，降低即时决策的复杂度，从而提高系统的鲁棒性和准确性，这对于我们解决复杂挑战亦有启发。

引用文献：

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb5128

2. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads7633

3. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.01.640986v1

4. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.01.640985v2