10 月 8 日消息，一支國際研究團隊 10 月 2 日在《自然》上發(fā)表了一組共 9 篇論文，介紹他們繪制出的成年果蠅完整“腦圖譜”，即包含腦部所有神經(jīng)元及其連接狀況的線路圖。

據(jù)研究人員介紹稱，這是迄今所有生物中首張完整“腦圖譜”，為了解果蠅感官知覺、記憶甚至交配儀式的大腦結(jié)構(gòu)提供了新的見解，堪稱神經(jīng)生物學(xué)研究的一個里程碑。

普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所科學(xué)家瑪拉?穆爾蒂（Mala Murthy）表示，果蠅是“神經(jīng)科學(xué)的一個重要模型系統(tǒng)，對果蠅大腦的研究具有重要意義。“我們正在解決的一個主要問題是，大腦中的線路、神經(jīng)元及其連接如何激發(fā)動物行為。”

劍橋大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、該研究的共同負(fù)責(zé)人之一格雷戈里?杰弗里斯（Gregory Jefferis）表示，“如果我們想弄清楚大腦是如何工作的，我們就需要從機械原理上理解所有神經(jīng)元是如何組合在一起并讓你產(chǎn)生思考的。對于大多數(shù)大腦，我們不知道這些（神經(jīng)元）網(wǎng)絡(luò)是如何運作的”，“果蠅可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的動作，例如行走、飛行、尋找方向，雄性果蠅還會向雌性唱歌（求偶）。大腦連接線路圖是讓我們理解這其中所有奧秘的第一步 —— 我們?nèi)绾慰刂谱约旱倪\動、接聽電話或認(rèn)出朋友。”

時間回溯到 2013 年，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家戴維?博克（Davi Bock）及其團隊將一只成年雌性果蠅的大腦浸入一種硬化化學(xué)溶液中；并于 2018 年完成準(zhǔn)備后小心翼翼地將這一罌粟籽大小的果蠅大腦切成 7,050 層，并用電子顯微鏡為這些切片拍攝了 2100 萬張照片。

隨后，他們將這些圖像公之于眾，而這些數(shù)據(jù)引起了瑪拉?穆爾蒂和普林斯頓大學(xué)神經(jīng)科學(xué)與計算機科學(xué)教授承現(xiàn)峻（Sebastian Seung）的興趣，他們希望可以使用這些圖像繪制出果蠅大腦“腦圖譜”，包括每個單獨的神經(jīng)元和突觸。

“這聽起來真的很離譜，”穆爾蒂對《科學(xué)》雜志的 Rodrigo Pérez Ortega 說，“這項工程太大了。之前從沒有人做過這么大規(guī)模的圖譜。”

他們先是利用 AI 根據(jù)圖像數(shù)據(jù)重建果蠅的腦細(xì)胞，但最終得到的模型并不完美，甚至還包括一些錯誤。為此，研究人員共同成立了 FlyWire 聯(lián)盟，招募數(shù)百名志愿者對“ 3D 大腦”進行手動校對和注釋。

經(jīng)過 4 年多的努力，研究團隊最終成功制作出迄今為止最完整的生物“腦圖譜”，總共包含近 14 萬個神經(jīng)元、8,453 種不同類型的神經(jīng)元和超過 5450 萬個突觸。

注意到，研究人員此前已經(jīng)繪制了出海洋蠕蟲幼蟲（78 個神經(jīng)元）、海鞘幼蟲（177 個神經(jīng)元）和成年蛔蟲（302 個神經(jīng)元）的大腦部分圖譜，但規(guī)模之大遠比不上這張果蠅的“腦圖譜”。

可惜的是，以人類目前的技術(shù)，我們暫時無法對自身的“腦圖譜”進行繪制，因為人類大腦擁有 860 億個神經(jīng)元和數(shù)以萬億計的連接，復(fù)雜程度大約是果蠅大腦的 100 萬倍。

在對神經(jīng)元進行標(biāo)記分類的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了 8453 種神經(jīng)元，其中 4581 種是新發(fā)現(xiàn)的，可提供大量新的研究方向。另外，不同細(xì)胞相互連接的一些方式也令研究人員感到驚訝。比如，那些被認(rèn)為只參與一種感覺線路的神經(jīng)元往往會接收來自多種感官的線索，比如視覺通路的神經(jīng)元會接受來自聽覺和觸覺通路的信號。

據(jù)介紹，果蠅與人類有 60% 的 DNA 以及 75% 的導(dǎo)致遺傳疾病的基因是相同的，它們同樣可以喝醉、唱歌，還可以用咖啡保持清醒，這表明我們的大腦有相似之處。因此，詳細(xì)了解果蠅的大腦可能會對人類大腦的研究產(chǎn)生影響。

《自然》論文顯示，他們創(chuàng)建了整個果蠅大腦的計算機模型，包括所有神經(jīng)元之間的所有連接，通過激活其中一些神經(jīng)元來測試可能引起的反應(yīng)，然后在真正的果蠅大腦中激活相同神經(jīng)元，予以驗證。結(jié)果顯示，在預(yù)測哪些神經(jīng)元會做出反應(yīng)并引發(fā)果蠅做出哪些動作方面，模型的準(zhǔn)確率超過 90%。還有一篇論文分析了果蠅行走背后的大腦回路，研究它如何停下來等。

承現(xiàn)峻認(rèn)為，作為神經(jīng)科學(xué)的新興分支，連接組學(xué)開啟了“神經(jīng)科學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”，這種轉(zhuǎn)型將擴展到大腦模擬，從而推動神經(jīng)科學(xué)研究加速發(fā)展。據(jù)《衛(wèi)報》報道，繪制老鼠大腦完整“腦圖譜”的工作已經(jīng)開始，研究人員希望在 5 年至 10 年內(nèi)完成。