科学家完成首张果蝇大脑图谱

约翰霍普金斯大学

Scientists complete 1st map of an insect brain

图中神经元以点表示，具有更相似连接性的神经元被绘制在更近的位置。线表示神经元之间的连接。图的边框显示了神经元形态的示例。资料来源：约翰霍普金斯大学/剑桥大学

研究人员完成了迄今为止最先进的昆虫大脑图谱，这是神经科学领域的一项里程碑式的成就，使科学家们更接近于真正理解思维机制。

由约翰-霍普金斯大学和剑桥大学领导的国际研究小组绘制了一幅令人叹为观止的详细示意图，追踪了果蝇幼虫大脑中的每一个神经连接，果蝇是一种典型的科学模型，其大脑可与人类媲美。

这项研究成果今天发表在《科学》（Science）杂志上，很可能成为未来大脑研究的基础，并为新的机器学习架构提供灵感。

"资深作者约书亚-沃格尔斯坦（Joshua T. Vogelstein）是约翰-霍普金斯大学的一名生物医学工程师，专门从事数据驱动型项目，包括研究神经系统连接的连接组学（connectomics）。"而其中的关键是了解神经元是如何相互连接的。

绘制大脑地图的首次尝试--20 世纪 70 年代开始的长达 14 年的蛔虫研究--绘制了部分地图并获得了诺贝尔奖。从那时起，包括苍蝇、小鼠甚至人类在内的许多系统都绘制了部分连接组图，但这些重建通常只能代表整个大脑的一小部分。只有几个体内只有几百到几千个神经元的小型物种--蛔虫、幼虫海鞘和幼虫海洋环体蠕虫--生成了全面的连接组。

这段视频通过大脑的横截面显示最终重建的神经元。资料来源：约翰霍普金斯大学/剑桥大学

该研究小组绘制的果蝇幼虫连接组是迄今为止最完整、最广阔的昆虫大脑地图。它包括 3016 个神经元和它们之间的所有连接：548,000.

"50年过去了，这是第一个大脑连接组。这是我们能做到这一点的一面旗帜，"沃格尔斯坦说。"一切工作都是为了这个目标"。

即使使用最好的现代技术，绘制整个大脑的图谱也是非常困难和耗时的。要获得大脑细胞层面的完整图像，需要将大脑切成数百或数千个单独的组织样本，所有这些样本都必须先用电子显微镜成像，然后再逐个神经元地将所有这些碎片重建成完整、准确的大脑图像。小果蝇花了十多年时间才做到这一点。据估计，老鼠的大脑比果蝇宝宝的大脑大一百万倍，这意味着在不久的将来，甚至在我们有生之年，都不可能绘制出任何接近人类大脑的图像。

利用突触分辨率电子显微镜重建的昆虫大脑中的全套神经元。资料来源：约翰霍普金斯大学/剑桥大学

研究小组特意选择了果蝇幼虫，因为对于昆虫来说，该物种与人类共享大部分基本生物学特性，包括相似的遗传基础。果蝇还具有丰富的学习和决策行为，是神经科学领域的有用模式生物。而且，就实际目的而言，它相对紧凑的大脑可以在合理的时间范围内成像并重建其电路。

即便如此，剑桥大学和约翰-霍普金斯大学还是花费了 12 年的时间来完成这项工作。单是每个神经元的成像就花费了大约一天的时间。

剑桥大学的研究人员制作了高分辨率的大脑图像，并通过人工研究找到单个神经元，严格追踪每一个神经元并将其突触连接起来。

剑桥大学将数据移交给约翰-霍普金斯大学，该团队花了三年多的时间，使用他们创建的原始代码分析大脑的连接性。约翰-霍普金斯大学团队开发出了根据共享连接模式寻找神经元群的技术，然后分析了信息如何在大脑中传播。

连接组描述了神经元如何在每个大脑半球内以及跨大脑半球进行交流。资料来源：约翰-霍普金斯大学/剑桥大学

最后，整个研究小组绘制了每个神经元和每个连接的图表，并根据每个神经元在大脑中扮演的角色对其进行了分类。他们发现，大脑中最繁忙的回路是那些与学习中心的神经元相通和相离的回路。

约翰-霍普金斯大学开发的方法适用于任何大脑连接项目，他们的代码也可供任何人尝试绘制更大的大脑连接图。

(责任编辑：泉水)

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