由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)“大腦計劃”支持的一組科學(xué)家，包括弗吉尼亞大學(xué)羅伯特·拉納醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)副教授戴維·博克博士，最近在神經(jīng)生物學(xué)研究方面取得了重大進(jìn)展，他們成功地繪制了黑腹果蠅(俗稱果蠅)的整個大腦。

這項名為“果蠅全腦注釋和多連接組細(xì)胞分型”的研究發(fā)表在《自然》雜志上，為了解果蠅大腦中不同類型的細(xì)胞建立了一個“共識細(xì)胞類型圖譜”或綜合指南。果蠅的大腦包含大約13萬個神經(jīng)元(人類的大腦包含860億個;在科學(xué)研究和測試中經(jīng)常代替人類的老鼠擁有1億個神經(jīng)元。

全腦連接組(稱為FAFB，或“全成年果蠅大腦”)的電子顯微鏡數(shù)據(jù)集使用果蠅大腦中每個神經(jīng)元的詳細(xì)形狀以及它們之間的所有突觸連接來識別和分類大腦中的所有細(xì)胞類型。

這張完整的地圖將幫助研究人員確定不同的電路是如何協(xié)同工作來控制運動控制、求愛、決策、記憶、學(xué)習(xí)和導(dǎo)航等行為的。

“如果我們想了解大腦是如何工作的，我們需要對所有神經(jīng)元是如何組合在一起并讓你思考的機(jī)制有一個了解，”該研究的聯(lián)合領(lǐng)導(dǎo)Gregory Jefferis博士說。

“對于大多數(shù)大腦，我們不知道這些網(wǎng)絡(luò)是如何運作的。對于蒼蠅，我們有完整的接線圖，這是理解復(fù)雜大腦功能的關(guān)鍵一步。事實上，利用我們在網(wǎng)上分享的數(shù)據(jù)，其他科學(xué)家已經(jīng)開始嘗試模擬蒼蠅的大腦對外界的反應(yīng)。”

Jefferis說:“要開始數(shù)字化模擬大腦，我們不僅需要知道大腦的結(jié)構(gòu)，還要知道神經(jīng)元是如何相互開啟和關(guān)閉的。”

“利用我們的數(shù)據(jù)，其他科學(xué)家已經(jīng)開始嘗試模擬蒼蠅的大腦對外界的反應(yīng)。這是一個重要的開始，但我們還需要收集許多不同類型的數(shù)據(jù)，以可靠地模擬大腦的功能?！?/p>

雖然類似的研究已經(jīng)在更簡單的生物體上完成，比如線蟲線蟲和果蠅的幼蟲階段，但成年果蠅提供了更復(fù)雜的行為研究。雖然果蠅的大腦顯然沒有人類，甚至老鼠那么復(fù)雜，但這項研究的意義是深遠(yuǎn)的。

所有物種的神經(jīng)回路處理信息的方式都有巨大的共性;這項工作使信息處理的原理可以在一個更簡單的模式生物中被識別出來，然后在更大的大腦中尋找。

博克指出，科學(xué)家們目前還無法將這種方法擴(kuò)展到人類大腦，但他表示，這一成就代表著向小鼠大腦的完整連接體邁出了值得注意的一步。

博克說:“這種類型的工作(在連接組學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行的)以百年一見的方式推進(jìn)了最先進(jìn)的技術(shù)水平，使我們能夠繪制出相當(dāng)復(fù)雜的動物成年果蠅完整大腦中每個神經(jīng)元的形狀和連接，并用尖端的軟件分析來注釋和挖掘由此產(chǎn)生的連接組?！?/p>

無論是光學(xué)顯微鏡——即使是多色熒光——還是經(jīng)典的高爾基方法及其相關(guān)方法都無法提供這種能力。

“在果蠅等重要遺傳模式生物的整個大腦的規(guī)模上實現(xiàn)這一壯舉，代表了該領(lǐng)域的顯著進(jìn)步?！?/p>

這項研究利用了FlyWire Consortium生成的工具和數(shù)據(jù)，其中包括UVM的Bock;來自劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實驗室的Gregory Jefferis博士和Philipp Schlegel博士;普林斯頓大學(xué)的Sebastian Seung博士和Mala Murthy博士。

該研究小組利用博克實驗室之前生成的電子顯微鏡下的大腦圖像，繪制了一只雌性果蠅整個成年大腦中神經(jīng)元之間聯(lián)系的詳細(xì)地圖。這張地圖包括了蒼蠅上面提到的139255個神經(jīng)元之間的大約5000萬個化學(xué)突觸。

研究人員還增加了關(guān)于不同類型的細(xì)胞、神經(jīng)、發(fā)育譜系的信息，并預(yù)測了神經(jīng)元使用的神經(jīng)遞質(zhì)。FlyWire的Connectome Data Explorer開放訪問數(shù)據(jù)分析工具可供下載，并且可以交互式瀏覽——所有這些都是本著鼓勵團(tuán)隊科學(xué)的精神完成的。這項工作在《自然》雜志的一篇論文《成人大腦的神經(jīng)元接線圖》中有詳細(xì)介紹。

“我們已經(jīng)將整個數(shù)據(jù)庫開放給所有研究人員免費使用。我們希望這將對試圖更好地了解健康大腦如何工作的神經(jīng)科學(xué)家產(chǎn)生革命性的影響?！薄霸谖磥恚覀兿Ｍ锌赡鼙容^當(dāng)我們的大腦出現(xiàn)問題時會發(fā)生什么，比如在精神健康狀況下?！?/p>

通過追蹤從感覺細(xì)胞到運動神經(jīng)元的連接，研究人員可以發(fā)現(xiàn)控制果蠅行為的潛在電路機(jī)制，這標(biāo)志著理解人類認(rèn)知和行為復(fù)雜性的關(guān)鍵一步。

美國國立衛(wèi)生研究院“大腦計劃”主任John Ngai博士說:“這種小型果蠅非常復(fù)雜，長期以來一直是理解行為生物學(xué)基礎(chǔ)的強(qiáng)大模型。”

“這一里程碑不僅為研究人員提供了一套新的工具來理解大腦中的回路是如何驅(qū)動行為的，而且重要的是，它是繪制大型哺乳動物和人類大腦之間聯(lián)系的持續(xù)努力的先驅(qū)?！?/p>