第一只果蠅繪制出了成年人大腦中每個神經(jīng)元的接線圖，以及它們之間的5000萬個連接。

這項具有里程碑意義的成就是由一個名為FlyWire Consortium的大型國際科學(xué)家合作完成的，其中包括來自MRC分子生物學(xué)實驗室(英國劍橋)、普林斯頓大學(xué)、佛蒙特大學(xué)和劍橋大學(xué)的研究人員。

該研究發(fā)表在《自然》雜志的兩篇論文中。

這張包含了成年蒼蠅大腦中139255個神經(jīng)元的圖表，是第一張能夠行走和視覺的動物的整個大腦的圖表。以前的研究已經(jīng)完成了小得多的大腦的全腦圖，例如，果蠅幼蟲的大腦有3016個神經(jīng)元，線蟲的大腦有302個神經(jīng)元。

研究人員表示，整個蒼蠅大腦圖譜是完成更大大腦的關(guān)鍵的第一步。由于果蠅是一種常用的研究工具，它的大腦圖譜可以用來促進我們對神經(jīng)回路如何工作的理解。

來自劍橋大學(xué)MRC分子生物學(xué)實驗室的格雷戈里·杰弗里斯博士是這項研究的共同負責(zé)人之一，他說:“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)元如何組合在一起并讓你思考的機制有一個了解?！睂τ诖蠖鄶?shù)大腦，我們不知道這些網(wǎng)絡(luò)是如何運作的。

“蒼蠅可以做各種復(fù)雜的事情，比如走路、飛行、導(dǎo)航，雄性還會向雌性唱歌。大腦接線圖是理解我們感興趣的一切事物的第一步——我們?nèi)绾慰刂谱约旱膭幼?、接聽電話或識別朋友。”

來自普林斯頓大學(xué)(Princeton University)的馬拉·默蒂(Mala Murthy)博士是這項研究的共同負責(zé)人之一，她說:“我們已經(jīng)把整個數(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。

“在未來，我們希望有可能比較當我們的大腦出現(xiàn)問題時會發(fā)生什么，比如在精神健康狀況下。”

大腦不是雪花

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這張地圖上的線路與之前繪制的蒼蠅大腦部分區(qū)域的小規(guī)模研究有很大的相似之處。這使得研究人員得出結(jié)論，個體大腦之間的神經(jīng)連接有許多相似之處——每個大腦都不是像雪花一樣的獨特結(jié)構(gòu)。

當將他們的大腦圖與之前的大腦小區(qū)域圖進行比較時，研究人員還發(fā)現(xiàn)，大約0.5%的神經(jīng)元有發(fā)育變異，這可能導(dǎo)致神經(jīng)元之間的連接錯誤。研究人員表示，這將是未來研究的一個重要領(lǐng)域，以了解這些變化是否與個性或大腦紊亂有關(guān)。

制作地圖

一整只蒼蠅的大腦不到1毫米寬。研究人員首先將一個女性的大腦切成7000片，每片只有40納米厚，然后在項目聯(lián)合負責(zé)人Davi Bock的實驗室使用高分辨率電子顯微鏡進行掃描，然后在美國Janelia研究園區(qū)進行掃描。

分析超過100tb的圖像數(shù)據(jù)(相當于100臺普通筆記本電腦的存儲容量)，以提取約14萬個神經(jīng)元的形狀和它們之間的5000萬個連接，這對人類來說是一個太大的挑戰(zhàn)，無法手動完成。研究人員利用普林斯頓大學(xué)開發(fā)的人工智能來識別和繪制神經(jīng)元及其彼此之間的聯(lián)系。

然而，在這種規(guī)模的數(shù)據(jù)集上，人工智能仍然會犯很多錯誤。FlyWire聯(lián)盟——由全球76個實驗室和287名研究人員組成的團隊，以及來自公眾的志愿者——花費了大約33個人年的時間，煞費苦心地校對所有數(shù)據(jù)。

來自普林斯頓大學(xué)的Sebastian Seung博士是這項研究的共同負責(zé)人之一，他說:“人工智能計算的進步使得繪制整個大腦的地圖成為可能——手工重建整個接線圖是不可能的。這是人工智能如何推動神經(jīng)科學(xué)向前發(fā)展的展示。蒼蠅的大腦是我們重建整個老鼠大腦接線圖的一個里程碑?！?/p>

研究人員還在接線圖上注釋了許多細節(jié)，例如對大腦中8000多種細胞類型進行分類。這也使研究人員能夠選擇大腦中的特定系統(tǒng)進行進一步研究，例如與視覺或運動有關(guān)的神經(jīng)元。

其中一項研究的第一作者，來自MRC分子生物學(xué)實驗室的Philipp Schlegel博士說:“這個數(shù)據(jù)集有點像谷歌地圖，但針對的是大腦:神經(jīng)元之間的原始接力圖就像知道地球衛(wèi)星圖像上的哪些結(jié)構(gòu)與街道和建筑物相對應(yīng)?！?/p>

“注釋神經(jīng)元就像在地圖上添加街道和城鎮(zhèn)的名稱、營業(yè)時間、電話號碼、評論等，你需要兩者才能真正有用?！?/p>

模擬大腦功能

這也是第一個用來預(yù)測神經(jīng)元之間所有連接功能的全腦線路圖——通常被稱為連接體。

神經(jīng)元利用電信號發(fā)送信息。每個神經(jīng)元可以有數(shù)百個分支連接到其他神經(jīng)元。這些分支交匯并在神經(jīng)元之間傳遞信號的點被稱為突觸。神經(jīng)元通過突觸進行交流主要有兩種方式:興奮性(促進電信號在接收神經(jīng)元中的延續(xù))或抑制性(降低下一個神經(jīng)元傳遞信號的可能性)。

該團隊的研究人員還使用人工智能圖像掃描技術(shù)來預(yù)測每個突觸是抑制性還是興奮性。

杰弗里斯博士補充說，“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)，還需要知道神經(jīng)元是如何相互開啟和關(guān)閉的?！?/p>

“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>

來自佛蒙特大學(xué)的副教授Davi Bock是該研究的共同負責(zé)人之一，他說:“電子顯微鏡數(shù)據(jù)的超細節(jié)帶來了自己的挑戰(zhàn)，尤其是在規(guī)模上。這個團隊編寫了復(fù)雜的軟件算法來識別細胞結(jié)構(gòu)模式和所有細節(jié)中的連接。

“我們現(xiàn)在可以制作精確的突觸水平圖，并利用這些圖更好地了解全腦范圍內(nèi)的細胞類型和電路結(jié)構(gòu)。這將不可避免地導(dǎo)致對神經(jīng)系統(tǒng)如何處理、存儲和回憶信息的更深入的理解。我認為這種方法為未來分析蒼蠅和其他物種的全腦連接體指明了前進的方向?！?/p>

這項研究是用一只雌性蒼蠅的大腦進行的。由于雄性和雌性果蠅的大腦在神經(jīng)元結(jié)構(gòu)上存在差異，研究人員計劃在未來也對雄性果蠅的大腦進行表征。