神经生物学研究里程碑：科研人员绘制出成年果蝇完整“脑图谱”

IT之家 10 月 8 日消息，一支国际研究团队 10 月 2 日在《自然》上发表了一组共 9 篇论文，介绍他们绘制出的成年果蝇完整“脑图谱”，即包含脑部所有神经元及其连接状况的线路图。

据研究人员介绍称，这是迄今所有生物中首张完整“脑图谱”，为了解果蝇感官知觉、记忆甚至交配仪式的大脑结构提供了新的见解，堪称神经生物学研究的一个里程碑。

普林斯顿神经科学研究所科学家玛拉・穆尔蒂（Mala Murthy）表示，果蝇是“神经科学的一个重要模型系统，对果蝇大脑的研究具有重要意义。“我们正在解决的一个主要问题是，大脑中的线路、神经元及其连接如何激发动物行为。”

剑桥大学的神经科学家、该研究的共同负责人之一格雷戈里・杰弗里斯（Gregory Jefferis）表示，“如果我们想弄清楚大脑是如何工作的，我们就需要从机械原理上理解所有神经元是如何组合在一起并让你产生思考的。对于大多数大脑，我们不知道这些（神经元）网络是如何运作的”，“果蝇可以实现各种复杂的动作，例如行走、飞行、寻找方向，雄性果蝇还会向雌性唱歌（求偶）。大脑连接线路图是让我们理解这其中所有奥秘的第一步 —— 我们如何控制自己的运动、接听电话或认出朋友。”

时间回溯到 2013 年，霍华德休斯医学研究所的神经科学家戴维・博克（Davi Bock）及其团队将一只成年雌性果蝇的大脑浸入一种硬化化学溶液中；并于2018 年完成准备后小心翼翼地将这一罂粟籽大小的果蝇大脑切成 7,050 层，并用电子显微镜为这些切片拍摄了 2100 万张照片。

随后，他们将这些图像公之于众，而这些数据引起了玛拉・穆尔蒂和普林斯顿大学神经科学与计算机科学教授承现峻（Sebastian Seung）的兴趣，他们希望可以使用这些图像绘制出果蝇大脑“脑图谱”，包括每个单独的神经元和突触。

“这听起来真的很离谱，”穆尔蒂对《科学》杂志的 Rodrigo Pérez Ortega 说，“这项工程太大了。之前从没有人做过这么大规模的图谱。”

他们先是利用 AI 根据图像数据重建果蝇的脑细胞，但最终得到的模型并不完美，甚至还包括一些错误。为此，研究人员共同成立了 FlyWire 联盟，招募数百名志愿者对“3D 大脑”进行手动校对和注释。

经过4 年多的努力，研究团队最终成功制作出迄今为止最完整的生物“脑图谱”，总共包含近 14 万个神经元、8,453 种不同类型的神经元和超过 5450 万个突触。

IT之家注意到，研究人员此前已经绘制了出海洋蠕虫幼虫（78 个神经元）、海鞘幼虫（177 个神经元）和成年蛔虫（302 个神经元）的大脑部分图谱，但规模之大远比不上这张果蝇的“脑图谱”。

可惜的是，以人类目前的技术，我们暂时无法对自身的“脑图谱”进行绘制，因为人类大脑拥有 860 亿个神经元和数以万亿计的连接，复杂程度大约是果蝇大脑的 100 万倍。

在对神经元进行标记分类的过程中，研究人员发现了 8453 种神经元，其中 4581 种是新发现的，可提供大量新的研究方向。另外，不同细胞相互连接的一些方式也令研究人员感到惊讶。比如，那些被认为只参与一种感觉线路的神经元往往会接收来自多种感官的线索，比如视觉通路的神经元会接受来自听觉和触觉通路的信号。

据介绍，果蝇与人类有 60% 的 DNA 以及 75% 的导致遗传疾病的基因是相同的，它们同样可以喝醉、唱歌，还可以用咖啡保持清醒，这表明我们的大脑有相似之处。因此，详细了解果蝇的大脑可能会对人类大脑的研究产生影响。

《自然》论文显示，他们创建了整个果蝇大脑的计算机模型，包括所有神经元之间的所有连接，通过激活其中一些神经元来测试可能引起的反应，然后在真正的果蝇大脑中激活相同神经元，予以验证。结果显示，在预测哪些神经元会做出反应并引发果蝇做出哪些动作方面，模型的准确率超过 90%。还有一篇论文分析了果蝇行走背后的大脑回路，研究它如何停下来等。

承现峻认为，作为神经科学的新兴分支，连接组学开启了“神经科学数字化转型”，这种转型将扩展到大脑模拟，从而推动神经科学研究加速发展。据《卫报》报道，绘制老鼠大脑完整“脑图谱”的工作已经开始，研究人员希望在 5 年至 10 年内完成。