16.67万神经元！人类首次绘出雄果蝇全脑回路，揭秘性别行为差异

同样看到一个目标、闻到一种气味，或者听到一段求偶歌，雄性和雌性果蝇可能做出截然不同的反应。现在，科学家第一次有机会沿着完整的神经线路，观察这些差异究竟从哪里产生。

9 月 3 日，霍华德·休斯医学研究所（HHMI）Janelia Research Campus、Google Research、英国医学研究委员会分子生物学实验室（MRC LMB）、剑桥大学等机构组成的研究团队在《Cell》发表研究，公布了首个成年雄性果蝇完整中枢神经系统连接组。

这张“脑回路图”覆盖中央脑、两侧视叶，以及负责连接大脑和身体的腹神经索，共包含 166,700 个神经元、11,710 种神经元类型。经过人工校验的连接组中，还记录了约 1.24 亿条突触连接。按照神经元数量计算，这是目前规模最大的完整脑连接组。

图｜雄性果蝇完整中枢神经系统连接组（来源： Google Research）

更重要的是，这项工作同时带来了两项研究结果。

一方面，研究人员第一次把雄性果蝇从感觉输入—运动输出的神经线路完整连接起来。由于大脑和腹神经索之间的颈部连接被完整保留，视觉、嗅觉、听觉等信息进入大脑之后，如何经过中枢处理，再一路传到控制腿和翅膀的运动神经元，现在可以在同一张图中追踪。

另一方面，由于此前科学家已经完成了一只成年雌性果蝇的全脑连接组。本次雄性图谱补齐后，人类第一次可以在全脑、突触分辨率上系统比较成年动物不同性别之间的神经线路。结果显示，雌雄果蝇绝大多数感觉和运动回路其实非常相似，明显的差异主要集中在负责信息整合、决策和行为控制的高级脑区。少量不同的神经元和连接，就可能把相同的感觉信息引向不同的行为。

这也为一个重要问题提供了新的研究切入点：相似的大脑，为什么会因为性别不同而产生不同的行为？

16.6 万个神经元，从“看见”到“行动”

所谓“连接组”（connectome），可以理解为一张精确到神经元和突触尺度的线路图。它不仅记录大脑中有哪些神经元，还告诉研究者这些神经元彼此如何连接，信息可能沿着什么路径从感觉输入一路传到运动输出。

这一次最重要的变化，是研究团队首次完整保留了雄性果蝇大脑与腹神经索之间的连接，使整个中枢神经系统真正连成一体。腹神经索相当于昆虫神经系统中连接大脑与身体的重要通路，腿、翅膀等运动控制都与这里密切相关。

（来源：Google Research）

有了这张完整线路图，研究人员第一次可以在全局尺度上追踪感觉信息如何转化为动作。

研究发现，果蝇神经系统整体呈现出较清晰的“感觉输入—中枢处理—运动输出”结构，其中连接脑和腹神经索的颈部通道是一个重要的信息瓶颈。下行神经元负责把大脑中的信息送向身体，上行神经元则把身体状态反馈给大脑，两者同时承担着不同感觉和运动信息的整合。

研究团队进一步用网络分析方法，计算不同感觉输入通往不同运动系统时最可能经过的线路。过去研究者常常需要围绕少数已知神经元一点点寻找上下游，现在可以直接在整张神经网络上寻找从视觉、嗅觉、听觉等感觉端通往运动端的候选路径。

以视觉系统为例。借助完整连接组，研究人员可以从复眼中的 R1-R6 视觉神经元出发，沿着多级神经元一路寻找通向下行运动系统的候选线路。与此同时，研究还发现了一条与雄性求偶追踪相关的视觉通路：雄性特有的 LoVP92 神经元可以通过 VES200m，连接到参与转向控制的 DNg13 神经元。

这张图之所以直到现在才完成，也与连接组研究的技术门槛有关。团队使用 7 套增强型聚焦离子束扫描电子显微镜，连续工作 13 个月，获得约 160 万亿体素的图像数据，分辨率达到 8 纳米。在这个过程中，AI 负责自动分割神经元、追踪轴突和树突并识别突触，但自动结果仍需要研究人员逐一检查和修正。论文估算，仅这部分人工校对工作的总投入，就相当于一个人连续工作约 44 年的工作量。

雌雄大脑大部分相同，差异藏在高级脑区

而早在 2024 年，FlyWire 联盟其实已经在《Nature》发表了成年雌性果蝇的全脑连接组，共重建 139,255 个神经元和约 5,450 万个突触。此次雄性全脑连接组的加入，也让研究者第一次可以在全脑、突触分辨率上系统比较两种性别的神经线路。

结果首先证明了一件事：雄性和雌性果蝇的大脑其实大部分都一样。

不同的地方主要在于神经元及其分布。研究团队把大脑神经元分成三类：两种性别中基本一致的“同构”神经元；只存在于一种性别中的“性别特异”神经元；以及雌雄都有、但形态或连接不同的“性别二态”神经元。

（来源： Google Research）

在雄性中央脑中，大约 3.4% 的神经元属于雄性特有，1.4% 属于性别二态，两者合计不到 5%。雌雄大脑真正不同的神经元，其实只占很小一部分。

但关键问题在于，这些差异并不是随机散落在整个神经系统中，而是更多集中在负责信息整合和行为控制的高级脑区。相比之下，越靠近视觉、嗅觉等感觉输入端，以及最终控制腿、翅膀的运动端，雌雄反而越相似。

换句话说，雌雄果蝇在感觉输入和运动控制这些基础环节上大体相似，真正的差异更多出现在中间的信息处理和行为选择上。

雄性求偶时的视觉追踪就是一个例子。雄性在追逐雌性时，会不断调整方向，把雌性保持在正前方视野。研究发现，雌雄果蝇前端的视觉系统几乎没有太大差别，真正的分化出现在视觉信息进入中央脑之后。这里有一批神经元专门处理前方视野的信息，其中雄性特有的 LoVP92 会接入一组与求偶相关的性别二态回路，再进一步连接到控制转向的下行神经元。

雌雄果蝇都能看到前方目标，但雄性大脑多出了一条与追逐求偶相关的深层线路。研究者认为，这套连接可能帮助雄性在追逐过程中持续锁定前方的雌性。

听觉系统也是类似，同一段声音经过前面的共享线路后，会被重新接入不同的性别特异神经回路，从而与雌雄不同的求偶反应联系起来。例如雄性果蝇求偶时会振动翅膀，发出特定节奏的求偶歌。同样的声音被雌性听到后，可能让她减慢移动、进入接受交配的状态；被雄性听到后，却可能提高活动水平，继续求偶，甚至加强雄性之间的竞争。

论文把其中一些结构形容成类似“switchboard”，也就是可以改变信息去向的交换节点。

嗅觉系统也出现了相似规律。果蝇依靠气味和信息素识别潜在配偶，前两级感觉神经元中的雌雄差异仍然很少，更多变化出现在更高级的处理环节。一些两性共有的投射神经元会在这里接入雄性特有或性别二态的下游回路，并进一步参与求偶行为。

这几个方向的研究最终指向同一个结论：性别差异并不需要遍布整个神经系统，少数位于高级脑区的关键连接，就可能改变信息最终流向哪里，并进一步影响行为。

这也解释了为什么不到 5% 的明显性别差异神经元，仍可能产生远超其数量比例的影响。研究团队认为，把这些差异集中在少数高度互联的中枢模块中，可能也是一种更容易在进化过程中产生新行为的方式：保留大部分基础神经架构，只调整有限的节点和连接，就可能形成新的行为模式。

不过，连接组提供的仍然是一张静态线路图。尽管它可以告诉研究者哪些神经元相互连接，却不能单独证明某条回路一定会导致某种行为。

接下来，研究人员还需要结合神经活动记录、遗传操控和行为实验，验证这些从连接图中发现的“线路开关”。同系列的研究显然已经在跟进，与主论文同期，《Cell》还发表了成年果蝇完整味觉连接组和视觉通路研究，《Current Biology》则发表了一项关于性别二态神经网络如何调控社会行为的研究。连接组正在从一张“大脑地图”，逐渐变成研究视觉、味觉、求偶、攻击和决策机制的基础工具。

而果蝇也不会是终点。Janelia 等团队已经将连接组研究推进到斑马鱼等脊椎动物，希望未来把完整线路图与其他动物活动时的神经信号结合起来。

1.https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.08.015

2.https://www.mrclmb.ac.uk/news-events/articles/first-complete-connectome-of-male-fly-central-nervous-system-allows-for-unprecedented-male-female-brain-comparison/

3.https://research.google/blog/a-connectomics-milestone-mapping-the-complete-male-fruit-fly-brain/

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成