国际研究团队首次绘制出果蝇完整的脑-身体神经连接图，这一里程碑式的成果揭示，复杂行为可能并非由单一中央控制器主导，而是源于分布式神经回路的协同作用。这项研究为理解神经系统如何整合脑与身体信息以产生复杂行为提供了全新视角。

这项由哈佛医学院和普林斯顿大学实验室主导的国际大型研究团队，在神经科学领域取得了重大突破：他们构建了成年果蝇中枢神经系统内所有神经元之间连接的完整图谱。该成果为科学家们研究大脑和身体如何协同产生行走、飞行等复杂行为提供了新途径，并为探讨神经系统基本运作规律的深层问题打开了大门。

研究共同资深作者、哈佛医学院布拉瓦特尼克研究所神经生物学约瑟夫·B·马丁基础研究教授Rachel Wilson表示：“我们首次将所有神经元及其连接视为一个完整的单元，并能从中探究其内在机制。” 这一详细的神经连接图谱，被称为“神经连接组”（connectome），在先前已完成的果蝇大脑连接组基础上，新增了果蝇相当于脊髓的“神经索”部分。

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Wei-Chung Allen Lee强调：“拥有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。”

在分析这一连接组时，研究人员发现许多果蝇行为并非由大脑中的单一“指挥中心”直接控制。相反，它们往往由参与行动的身体部位中的局部神经回路来调控。

完整的连接组已在线免费开放，为全球科学家推进神经科学研究提供了新资源。这项研究于6月8日发表在《自然》（Nature）杂志上，并获得了美国联邦基金的部分支持，包括“大脑计划”（BRAIN Initiative）、美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）。

神经科学领域的一个主要未解之谜是，大脑和身体中的神经元如何连接和协作以产生行为。果蝇（Drosophila melanogaster）是研究这一问题的强大模型。果蝇易于在实验室中饲养，其神经系统相对简单，约有16万个神经元，但却能执行导航、社交互动、学习和对感觉线索的反应等复杂行为。Lee教授指出，它们还提供了一套“极其精密的遗传工具包”，使研究人员能够访问、控制和记录单个或多个神经元的活动。

2024年，由普林斯顿大学的Mala Murthy和Sebastian Seung（也是本研究的共同作者）领导的FlyWire联盟发布了果蝇大脑的完整连接组。与此同时，Lee及其同事正在构建果蝇神经索的连接组，该神经索控制着腿、翅膀和其他附肢，并处理感觉信息。

共同第一作者、Wilson实验室神经生物学研究员Helen Yang表示：“大脑和神经索连接组各自都有用，但除非能将两者连接起来，否则很难理解信息如何在脑和身体之间流动。”

另一位共同第一作者、Wilson实验室神经生物学研究员Alexander Bates指出，尽管大多数神经元在大脑中，但神经索中的神经元“最为有用”，因为它们与感觉和运动等功能紧密相关，也更容易解释。

普林斯顿大学神经科学研究所（PNI）主任、神经科学卡罗尔和马尼·马辛'96教授Murthy表示，FlyWire团队渴望将重点转向Lee实验室成像的脑和神经索（BANC）数据集。“新的连接组代表了该领域的一项重大进展，它能够帮助我们理解大脑中的回路如何接收身体的反馈并控制其行动，”她说。共同作者、PNI的Arie Matsliah补充道：“我们首次能够追踪整个神经系统中从感觉输入到行动输出的信息流。”

为了创建连接组，研究人员从一只果蝇中制备了数千个薄的连续切片。他们使用电子显微镜对这些切片进行成像，生成了数百万张捕捉神经元及其连接的图像。随后，人工智能工具被用于对齐图像并将其组装成统一的3D地图。

完成的连接组在突触层面展示了每个神经元如何与大脑和神经索中的其他神经元连接。尽管它没有覆盖果蝇的整个身体，但研究人员利用可识别的神经元和先前的科学文献，将中枢神经系统神经元与许多附肢和感觉器官联系起来。通过这种方式，他们有效地“具身化”了连接组。

Lee教授表示，研究人员现在可以利用连接组生成新的假设，并在实验室中进行验证。他将这一资源比作使用谷歌地图的详细信息来规划路线。“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，”Lee说。

作者们已经利用连接组研究了运动控制，包括果蝇如何移动腿部和其他身体部位。

神经科学领域的一个长期观点是，大脑充当中央控制器，决定动物将采取哪些行动。然而，研究团队的发现并非如此。

相反，研究人员发现果蝇的运动控制在很大程度上是局部组织的。例如，一条腿的运动主要由与该腿相关的神经回路控制。这些局部回路随后与其他腿的回路进行通信，以产生协调的运动，如行走。

同样的模式也出现在翅膀、口腔和其他身体部位的回路中。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，这些系统提供额外的信息以帮助塑造行为。

Bates表示：“我们的研究结果表明，行动的控制高度分布在局部模块中，这些模块以不同方式连接并协同工作。”

研究人员预计，这一连接组将支持未来的众多研究。Yang将其比作人类基因组计划，这是另一个重要的开放资源，推动了广泛的科学进步。

在不久的将来，团队计划通过添加更多信息来扩展连接组，包括神经肽的详细信息，神经肽是神经元用于通信的小型蛋白质样分子。

连接组还有助于揭示神经系统在不同物种（包括人类）中如何运作的核心原理。Bates表示，许多在果蝇中发现的成果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。

Matsliah表示，另一个目标是“将完整的连接组绘图应用于更复杂的生物体”。他指出，人工智能、计算和开放协作科学的进步使得这类工作变得越来越可能。

一个主要问题是，在果蝇中观察到的神经回路分布式控制是否也存在于其他动物中。Lee教授目前正在小鼠中研究这个问题。

Yang说：“如果这只是果蝇独有的，我会感到震惊。我们在其他动物身上没有达到这种分辨率，但我们知道它们有很多这样的局部回路。”

这项工作可能对人工智能也具有启示。连接组提供了具体的生物学数据，可以帮助指导在虚拟世界中移动的人工智能代理的设计，这些代理正越来越多地用于研究智能和改进AI训练。

Yang表示：“让我惊叹的一点是，这只小小的果蝇能做很多事情；即使我们最好的人工智能代理和机器人也无法做到果蝇所能做到的一切。神经系统的组织方式可能为人工智能提供宝贵的经验。”