果蝇脑图谱重大突破：完整绘制雄性果蝇大脑

我们与霍华德·休斯医学研究所（HHMI）珍利亚研究园区及合作者共同发布了雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整图谱，这是迄今为止规模最大的脑图谱。结合目前正在开展的鱼类、小鼠等其他物种研究，这些神经连接图谱正逐步揭示各类大脑运作的机制。

普通果蝇（黑腹果蝇）一直是多项诺贝尔奖相关科学研究的核心对象。由于其行为模式高度稳定且生命周期短，果蝇长期以来都是遗传学研究的基础模式生物，如今也有望在神经科学领域发挥同样重要的作用。虽然这种喜爱水果的昆虫的“思维”看似与人类认知相去甚远，但不同物种的大脑其实存在诸多共性。由于目前尚无法绘制出人类大脑中860亿个神经元的图谱，科学家们正借助AI技术绘制果蝇等较小生物的大脑图谱，这将有助于我们理解动物神经系统如何感知世界、对刺激作出反应，以及未来如何修复受损的神经通路。

在由霍华德·休斯医学研究所珍利亚研究园区主导的项目中，我们的团队与合作者共同发布了雄性果蝇大脑及中枢神经系统的完整连接图谱。这项研究成果发表于《细胞》期刊，题为《果蝇雄性中枢神经系统完整连接组中的性别二态性》，是长达十年合作的结晶，推动了利用计算与AI技术构建全脑细胞级图谱的连接组学领域发展。该图谱包含超过16.6万个神经元和1.25亿个突触连接，是迄今为止按神经元数量计算规模最大的脑图谱，为科学家将果蝇作为研究大脑运作机制的模式生物提供了基础性资源。

雄性果蝇大脑连接组还涵盖了类似于脊髓的腹神经索，这意味着研究范围已从单纯的大脑扩展到大脑如何控制身体运动。该雄性果蝇连接组已由霍华德·休斯医学研究所珍利亚研究园区的专家团队进行了标注和校对验证。研究人员可以通过我们开发的开源工具Neuroglancer查看、探索并下载该数据集，该工具专为帮助研究人员可视化海量多维数据集而设计。

这份新的连接组数据涵盖了来自中央脑区（绿色）、视叶（紫色）和腹侧（即中央）神经索（蓝色）的神经元。这一新图谱使得研究人员能够将听觉、视觉和嗅觉输入与这种关键模式生物的运动输出联系起来。

这份雄性果蝇脑图谱是对此前发布的雌性果蝇脑图谱及近期完整的雌性果蝇大脑与神经索图谱的重要补充。同时拥有雄性和雌性完整的大脑及中枢神经系统图谱，使研究人员能够比较两性神经元存在差异的部位，从而研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制。而在两性大脑结构相似的部分，两套完整的果蝇连接组将帮助研究人员开始观察个体之间的差异性。

这是雄性（绿色）与此前绘制的雌性（品红色）果蝇大脑中一个存在差异的神经元示例。雄性神经元多出两个突起。AI技术使得精确的三维重建成为可能，从而能够精准定位这些结构差异。

绘制完整果蝇大脑图谱的关键步骤

脑图谱绘制（即连接组学）的第一步是将大脑切割成数百万个薄切片，对每个切片进行成像，再利用计算机和AI技术将这些图像拼接起来。我们的研究人员构建了利用AI将平面电子显微镜图像转化为三维重建模型的系统，并运用一系列不断演进的技术来生成精确的神经元形态。

我们的AI连接组学工具包括“泛洪填充网络”，该技术利用卷积神经网络从单个像素出发，识别出属于同一物体的所有其他像素。2019年，我们的连接组学团队发布了首个全自动化重建的雌性果蝇大脑图谱。到2020年，我们的团队与合作者共同发布了经人工验证的雌性果蝇半脑图谱，包含2.5万个神经元和2100万个连接，这在当时创下了记录。与此同时，团队已经在着手绘制如今已经完成的、经过验证的雄性果蝇完整脑图谱。

这些方法仍在不断改进。最近的一项研究成果将合成神经元数据纳入训练数据集，成功提升了我们最先进重建系统PATHFINDER的速度和准确性。我们还在协助开发用于标记和标注特定类型神经元的新技术。目前，绘制果蝇脑图谱需要研究人员耗费数年时间来验证和标注神经元形态。通过减少人工纠错的需求，研究团队将能够在合理的预算和时间范围内，开展规模更大的脑图谱绘制项目。

展望未来：绘制完整鱼类大脑图谱

连接组学领域正逐步向脊椎动物（即拥有脊髓的生物）拓展研究。这类生物在解剖结构、进化和功能上都与人类更为相似。在由哥伦比亚大学主导、本周发表于《自然》期刊的一项研究中，我们的团队协助绘制了长鼻鱼后脑中用于信号处理的部分区域图谱。这篇题为《类小脑回路的连接组分析：用于感觉预测》的论文，首次展示了如何将连接组这一静态资源与其他信息相结合，用以研究神经可塑性和学习过程，从而构建出迄今为止最完整的脊椎动物大脑学习机制模型。

斑马鱼幼体是少数几种大脑尺寸足够小、能够利用现有技术实现全脑绘制的脊椎动物之一。斑马鱼在幼体阶段身体透明，这一优势使得研究人员能够在实验过程中测量神经活动，相关数据已收录于ZAPBench数据集中。我们即将与哈佛大学联合发表的论文《用于斑马鱼幼体大脑神经编目和回路解析的连接组资源》，是首个涵盖整个脊椎动物大脑神经结构和分子类型的全脑数据集。我们的团队还发布了一个初步数据集，该数据集将同一条斑马鱼幼体大脑的神经活动与神经结构相结合，作为开放资源提供给研究界使用。

这张图片来自Fish Fire&Wire数据集，该数据集整合了同一条斑马鱼幼体样本的全脑电活动与神经结构数据。

结语

雄性果蝇连接组是一项基础性资源，将为实验神经科学的新时代提供支撑，未来可应用于生物学、药学和医学领域。今天同时发布的三篇配套论文展示了雄性果蝇连接组已被用于视觉系统、味觉和社会行为方面的神经科学研究。这里开发的方法也将助力其他项目的推进，例如即将完成的、经过全面校对的斑马鱼脑图谱，以及小鼠部分脑区的图谱绘制工作。尽管对人类大脑860亿个神经元进行完整建模仍是遥不可及的目标，但我们正逐步揭示大脑运作的机制，并加深对阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症等精神疾病发病过程的理解。我们希望，这些努力终有一天能够催生治疗认知疾病的新方法，改善大脑健康状况，并助力大脑损伤修复。

Q&A

Q1：雄性果蝇脑图谱包含多少神经元和连接？

A：该图谱包含超过16.6万个神经元和1.25亿个突触连接，是迄今为止按神经元数量计算规模最大的脑图谱。

Q2：绘制这份果蝇脑图谱用了什么技术？

A：研究人员利用AI技术将电子显微镜拍摄的平面切片图像转化为三维重建模型，其中包括“泛洪填充网络”等卷积神经网络技术，并借助最新的PATHFINDER重建系统提升速度和准确性。

Q3：这份雄性果蝇脑图谱有什么实际用途？

A：该图谱可用于研究果蝇求偶和攻击行为的生物学机制、比较个体间大脑差异，还已被用于视觉系统、味觉和社会行为的神经科学研究，未来有望助力理解阿尔茨海默病、抑郁症等精神疾病的发病机制。