一项里程碑式的科学成就近日在《自然》杂志发表：科学家们首次绘制出完整的果蝇中央神经系统连接图谱，涵盖了其大脑及其“脊髓等效物”——神经索。这一详尽的神经连接图谱，即连接组，为科学家们提供了一个全新的视角，以审视大脑和身体如何协同工作，从而产生包括行走和飞行在内的复杂行为。同时，它也为更广泛地探索支配神经系统的核心法则打开了大门。
“我们首次能够将所有神经元及其连接作为一个完整的单元来观察，并从中提出问题：‘我们能学到什么？’”该研究的共同资深作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所神经生物学基础研究约瑟夫·B·马丁教授雷切尔·威尔逊（Rachel Wilson）表示。
这项新的神经连接图谱扩展了此前已发表的果蝇大脑连接组，通过加入果蝇的神经索，使其成为首个完整的果蝇大脑与身体连接图谱。“拥有一个尽可能完整的中央神经系统连接组至关重要，这样我们才能将大脑和身体连接起来，并开始从整体上思考行为，”该研究的另一位共同资深作者、哈佛医学院神经生物学副教授兼波士顿儿童医院神经病学教授魏-忠·艾伦·李（Wei-Chung Allen Lee）补充道。
研究团队在分析这个连接组时发现，许多果蝇的行为似乎是由相关身体部位的局部神经回路直接控制，而非由大脑中的某个单一中央指令区域发出指令。目前，完整的连接组已免费在线开放，为全球研究人员提供了强大的神经科学研究新资源。这项工作获得了包括美国“大脑计划”（BRAIN Initiative）、美国国立卫生研究院和国家科学基金会等联邦资金的部分支持。
在神经科学领域，一个悬而未决的重大问题是，大脑和身体中的神经元如何连接和协调以产生行为。黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）是探索这一问题的宝贵模型。果蝇易于在实验室中饲养，尽管其神经系统仅包含约16万个神经元，但它们仍能执行复杂的行为，如导航、社交互动、学习和对感觉信号的反应。此外，它们还拥有李教授所说的“极其精密的遗传工具包”，这使得科学家能够访问、控制和记录单个神经元或神经元群体的活动。
2024年，由普林斯顿大学的马拉·默蒂（Mala Murthy）和塞巴斯蒂安·承（Sebastian Seung）领导的FlyWire联盟（他们也是这项新研究的共同作者）发表了果蝇大脑的完整连接组。与此同时，李教授及其同事正在构建果蝇神经索的连接组，神经索控制着腿、翅膀和其他附肢，同时处理感觉信息。“大脑和神经索的连接组各自都很有用，但除非你能将两者连接起来，否则很难理解信息是如何在大脑和身体之间流动的，”该研究的共同第一作者、威尔逊实验室神经生物学研究员海伦·杨（Helen Yang）指出。另一位共同第一作者、同样来自威尔逊实验室的神经生物学研究员亚历山大·贝茨（Alexander Bates）补充说，大脑拥有大部分神经元，但神经索中的神经元“最为有用”，因为它们与感觉、运动和通常更容易解释的功能紧密相关。
普林斯顿大学神经科学卡罗尔与马尼·马辛'96神经科学教授兼普林斯顿神经科学研究所（PNI）主任、该研究的共同资深作者默蒂表示，FlyWire团队渴望转向李实验室成像的“大脑与神经索”（BANC）数据集。“新的连接组代表了该领域的一项重大进展，它使我们能够理解大脑中的回路如何接收身体的反馈并控制身体的行动，”她说。PNI的共同作者阿里·马茨利亚（Arie Matsliah）补充道：“我们首次能够追踪从感觉输入到行动输出的整个神经系统信息流。”
为了创建这个连接组，研究人员将一只果蝇切成数千个极其薄的连续切片。随后，他们使用电子显微镜捕捉了数百万张图像，展示了神经元及其连接。人工智能工具帮助校准这些图像，并将它们组装成一个统一的3D图谱。完成的连接组展示了每个神经元如何通过单个突触与大脑和神经索中的其他神经元连接。尽管该图谱并未覆盖果蝇的整个身体，但研究人员利用可识别的神经元和以往的科学文献，将中央神经系统神经元与许多附肢和感觉器官中的神经元连接起来，从而有效地“具身化”了连接组。
李教授表示，科学家可以利用连接组来提出新的实验室实验假设。他将其比作在规划路线时拥有详细的谷歌地图信息。“连接组向我们表明，我们大多数的假设都过于简单。现在，我们可以提出更复杂的假设，并着手进行实验来验证它们，”李教授说。
研究人员已经利用连接组研究了运动控制，特别是果蝇如何移动其腿部和其他身体部位。神经科学领域长期以来的观点认为，大脑是集中控制器，决定动物将执行哪些动作。然而，果蝇连接组指向了一个不同的答案。研究团队发现，果蝇的运动控制主要发生在局部。例如，一条腿的运动主要由该腿的神经回路控制。这些回路随后与其他腿的回路进行通信，以产生协调的动作，如行走。同样的模式也出现在与果蝇翅膀、口器和其他身体部位相关的回路中。研究人员还发现，运动回路与其他类型的回路相连，包括视觉和内分泌系统中的回路，这些回路提供了额外的有助于塑造行为的信息。“我们的发现表明，动作的控制高度分布式于局部模块中，这些模块以不同的方式连接并协同工作，”贝茨说。
研究人员表示，这个连接组可以支持许多未来的研究方向。杨将其比作人类基因组计划，另一个被广泛利用的大规模开放资源。很快，研究团队计划向连接组添加更多信息，包括神经肽的细节，即神经元用于通信的微小蛋白质样分子。连接组还可能揭示适用于跨物种（包括人类）神经系统的基本原理。贝茨指出，许多果蝇神经科学的发现已从无脊椎动物推广到哺乳动物，包括与导航、嗅觉和记忆相关的发现。另一个目标是“将全连接组绘图应用于更复杂的生物体”，马茨利亚说。他指出，人工智能、计算和开放协作科学的进步使得这类研究变得越来越可能。
现在一个主要问题是，在果蝇中观察到的分布式神经控制是否也存在于其他动物中。李教授目前正在小鼠中调查这种可能性。“如果这只在果蝇中独有，我会感到震惊，”杨说，“我们没有其他动物的这种分辨率水平，但我们知道它们有很多这样的局部回路。”这项工作还可能对人工智能产生影响。连接组提供了真实的生物学数据，可能有助于指导在虚拟世界中移动的人工智能体的设计，这些系统正越来越多地被用于研究智能和改进人工智能训练。“有一点总是让我惊叹，那就是这只小小的果蝇能做很多事情；即使我们最好的人工智能体和机器人也无法做到果蝇所能做到的一切，”杨说，“神经系统的组织方式可能为人工智能提供了经验。”