迄今最大果蠅大腦圖譜詳細揭示神經元

果蠅雖然不是最聰明的生物，但科學家仍然可以從其大腦中學到很多東西。現在，研究人員已繪制出一張全新的成年果蠅（黑腹果蠅）大腦圖譜，這也是迄今為止所有生物中最完整的“全腦接線圖”。該圖譜展示了超過5450萬個突觸以及近14萬個神經元之間的連接，并揭示了新的神經細胞類型。

研究人員繪制了擁有近14萬個神經元的果蠅大腦圖譜。圖片來源：普林斯頓大學

近日，美國普林斯頓大學的神經科學家Mala Murthy 和Sebastian Seung 共同領導的FlyWire 聯盟在《自然》發布系列文章，對該圖譜進行了詳細的描述。

Seung和Murthy表示，他們用時4年多，使用果蠅大腦切片的電子顯微鏡圖像，并在人工智能（AI）工具的幫助下將這些數據拼接在一起，形成了一張完整的大腦圖譜。

但這些工具并不完美，需要檢查接線圖是否有誤。科學家花費大量時間手動校對數據，還邀請志愿者前來幫忙。據論文合著者、英國劍橋大學的神經科學家Gregory Jefferis稱，聯盟成員和志愿者共進行了300多萬次手動編輯。

即便如此，這項工作還沒有全部完成——這張圖仍然需要注釋。在這一過程中，研究人員和志愿者需要將每個神經元標記為特定的細胞類型。Jefferis將這項任務與評估衛星圖像進行了比較——AI軟件可能會被訓練后用于識別圖像中的湖泊或道路，但人類必須檢查結果并自己命名特定的湖泊或道路。總的來說，研究人員發現了8453種神經元，其中4581個是新發現的，已遠遠超過預期。

研究小組對不同細胞相互連接的一些方式感到驚訝。例如，那些被認為只參與一種感覺線路的神經元，如視覺通路，傾向于接收來自多種感官的線索，包括聽覺和觸覺。“大腦之間的相互聯系令人震驚。”Murthy說。

在一篇論文中，研究人員使用連接組創建了整個果蠅大腦的計算機模型，包括神經元之間的所有連接。他們通過激活感知甜味或苦味的神經元進行測試，這些神經元通過虛擬蒼蠅的大腦發出一連串信號，最終觸發與蒼蠅長鼻相連的運動神經元。當甜味回路被激活時，就會發出延長喙的信號，就好像昆蟲準備進食一樣；當苦味回路被激活時，這個信號則被抑制。為了驗證這些發現，研究小組在一只真正的果蠅中激活了相同的神經元。研究人員了解到，在預測哪些神經元會做出反應以及果蠅的行為方面，模擬的準確率超過90%。

研究人員還描述了兩個信號回路，它們向果蠅發出停止行走的信號。其中一個回路包含兩個神經元，當果蠅想要停下來進食時，它們負責從腦發出停止“行走”信號。另一個回路包括神經索中的神經元，它們接收和處理來自腦的信號。這些細胞在果蠅的腿部關節處產生阻力，使昆蟲在自我梳理時能夠停下來。

FlyWire的研究人員表示，要想完全了解果蠅的大腦，還有很多工作要做。例如，最新的連接組只顯示了神經元是如何通過化學突觸連接的，但沒有提供任何關于神經元之間電連接的信息，也沒有提供神經元如何在突觸外進行化學交流的信息。Murthy希望最終能有一個雄性果蠅的連接體，使研究人員能夠研究雄性特定的行為，比如唱歌等。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07558-y