由約翰斯·霍普金斯大學和劍橋大學領導的國際團隊制作了一張驚人的詳細圖譜，描繪了果蠅幼蟲大腦中的每一個神經(jīng)連接，這是一個與人類大腦相當?shù)脑涂茖W模型。該研究可能會支持未來的大腦研究并激發(fā)新的機器學習架構。該研究以「The connectome of an insect brain」為題，于 2023 年 3 月 10 日發(fā)布在《Science》上。論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330「如果我們想了解我們是誰，以及我們如何思考，其中一部分就是了解思維機制，」該研究的主要作者、約翰斯·霍普金斯大學生物醫(yī)學工程師 Joshua T. Vogelstein 說，專門從事數(shù)據(jù)驅動項目，包括神經(jīng)系統(tǒng)連接的研究?！钙渲械年P鍵是知道神經(jīng)元是如何相互連接的?！?/span>繪制大腦圖譜的首次嘗試——從 20 世紀 70 年代開始對蛔蟲進行了長達 14 年的研究，繪制出了部分大腦圖譜，并獲得了諾貝爾獎。從那時起，部分連接體已被映射到許多系統(tǒng)中，包括果蠅、小鼠，甚至人類，但這些重建通常只代表整個大腦的一小部分。綜合連接體僅針對體內有幾百到幾千個神經(jīng)元的幾種小物種生成——蛔蟲、幼蟲海鞘和幼蟲海洋環(huán)節(jié)動物蠕蟲。該團隊的果蠅幼蟲 Drosophila melanogaster 幼蟲的連接組是迄今為止完成的最完整、最廣泛的整個昆蟲大腦圖譜。它包括 3,016 個神經(jīng)元以及它們之間的每個連接：548,000 個。「已經(jīng) 50 年了，這是第一個大腦連接組。這是我們可以做到的一面旗幟，」Vogelstein 說?！敢磺卸荚跒榇伺?。」即使使用最好的現(xiàn)代技術，繪制整個大腦也很困難且極其耗時。獲得大腦的完整細胞水平圖片需要將大腦切成數(shù)百或數(shù)千個單獨的組織樣本，所有這些樣本都必須用電子顯微鏡成像，然后才能艱苦地將所有這些碎片一個神經(jīng)元一個神經(jīng)元地重建成完整、準確的大腦肖像。用小果蠅做這件事花了十多年的時間。據(jù)估計，老鼠的大腦比幼果蠅的大腦大一百萬倍，這意味著在不久的將來，繪制任何接近人腦的東西的可能性不大，甚至在我們有生之年也不可能。昆蟲大腦中的完整神經(jīng)元集，使用突觸分辨率電子顯微鏡重建。該團隊特意選擇了果蠅幼蟲，因為對于昆蟲而言，該物種與人類共享許多基本生物學特性，包括相似的遺傳基礎。它還具有豐富的學習和決策行為，使其成為神經(jīng)科學中有用的模型生物。并且出于實用目的，可以在合理的時間范圍內對其相對緊湊的大腦進行成像并重建其回路。即便如此，這項工作還是花了劍橋大學和約翰斯·霍普金斯大學 12 年的時間。每個神經(jīng)元僅成像一項就需要大約一天的時間。劍橋研究人員創(chuàng)建了大腦的高分辨率圖像，并手動研究它們以找到單個神經(jīng)元，嚴格追蹤每個神經(jīng)元并將它們的突觸連接聯(lián)系起來。劍橋大學將數(shù)據(jù)交給了約翰斯·霍普金斯大學，在那里，該團隊花了三年多的時間使用他們創(chuàng)建的原始代碼來分析大腦的連接性。約翰斯·霍普金斯大學團隊開發(fā)了一種技術，可以根據(jù)共享的連接模式找到神經(jīng)元群，然后分析信息如何在大腦中傳播。最后，整個團隊繪制了每個神經(jīng)元和每個連接的圖表，并根據(jù)每個神經(jīng)元在大腦中的作用對其進行了分類。他們發(fā)現(xiàn)大腦最繁忙的回路是那些通向和遠離學習中心神經(jīng)元的回路。約翰斯·霍普金斯大學開發(fā)的方法適用于任何大腦連接項目，他們的代碼可供任何試圖繪制更大動物大腦圖譜的人使用，Vogelstein 說，并補充說盡管存在挑戰(zhàn)，但科學家們有望在老鼠身上進行研究，可能在下一個十年。其他團隊已經(jīng)在繪制成年果蠅大腦的地圖。共同第一作者、約翰斯·霍普金斯大學生物醫(yī)學工程博士生 Benjamin Pedigo 預計該團隊的代碼可以幫助揭示成年和幼蟲大腦連接之間的重要比較。隨著為更多的幼蟲和其他相關物種生成連接體，Pedigo 預計他們的分析技術可以更好地理解大腦連接的變化。果蠅幼蟲的工作展示了回路特征，這些特征讓人想起突出而強大的機器學習架構。該團隊預計繼續(xù)研究將揭示更多的計算原理，并可能激發(fā)新的人工智能系統(tǒng)。「我們對果蠅代碼的了解將對人類代碼產(chǎn)生影響，」Vogelstein 說。「這就是我們想要了解的——如何編寫一個通向人腦網(wǎng)絡的程序。」參考內容：https://medicalxpress.com/news/2023-03-scientists-insect-brain.html