這將進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)家們探索在 3D 環(huán)境中對(duì)果蠅大腦進(jìn)行精確的計(jì)算機(jī)模擬。

從秀麗隱桿線蟲 (302 個(gè)神經(jīng)元) 到果蠅 (約 10 萬個(gè)神經(jīng)元)，截止到今天，已經(jīng)有許多項(xiàng)目繪制了各種生物的全腦連接組圖譜。而黑腹果蠅是被人類研究得最徹底的生物之一，截至 2017 年，已有 8 個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給使用果蠅的研究。

研究者對(duì)果蠅的研究還在繼續(xù)，近日，來自普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者發(fā)布了果蠅的全腦連接組，包括約 130k 個(gè)注釋神經(jīng)元和數(shù)千萬個(gè)類型突觸。

大家多少都了解，從古老的動(dòng)物開始就存在基本的神經(jīng)系統(tǒng)，但大腦系統(tǒng)的出現(xiàn)要追溯到 5 億年前。研究表明將大腦劃分為不同區(qū)域有助于理解其功能。

然而，多年來，關(guān)于神經(jīng)元和突觸層面的神經(jīng)連接圖一直存在爭(zhēng)議，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于人類缺乏能夠重構(gòu)此類連接圖的技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，情況在 21 世紀(jì)初才開始發(fā)生變化。

直到今天，來自普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究者發(fā)布了果蠅的全腦連接組，這是首個(gè)完整的成年果蠅大腦神經(jīng)連接圖。

論文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

在該成果發(fā)布之后，有人表示：「許多項(xiàng)目繪制了各種生物的全腦連接組圖，從秀麗線蟲（302 個(gè)神經(jīng)元）到果蠅（約 100k 神經(jīng)元）。以我們目前的計(jì)算能力，為什么不能在一個(gè)虛擬的 3D 環(huán)境中對(duì)這些生物進(jìn)行精確的計(jì)算機(jī)模擬呢？」

首個(gè)完整的成年果蠅大腦神經(jīng)連接圖

果蠅的大腦看起來很小，擁有 10^5 個(gè)神經(jīng)元和 10^8 個(gè)突觸，盡管如此，果蠅借助這些能夠完成看、聞、聽、走，當(dāng)然還能飛。

長期以來，研究者通過電子顯微鏡（EM）圖像已經(jīng)對(duì)果蠅大腦的部分區(qū)域進(jìn)行了重建，這些圖像清晰度還不錯(cuò)，能夠顯示出神經(jīng)元的細(xì)小分支和相連的突觸。由此得到的神經(jīng)回路的連接圖為研究者理解大腦如何產(chǎn)生社交行為、與記憶有關(guān)的行為以及導(dǎo)航行為提供了關(guān)鍵見解。

然而，EM 方法雖然已經(jīng)應(yīng)用于大腦的部分區(qū)域，并重建了信息豐富的局部連接圖，但對(duì)于更全面地理解大腦功能來說，這種方法還不足夠。

此前，研究者基于 Ito 等人的研究來構(gòu)建單個(gè)神經(jīng)突觸網(wǎng)格，本文采用的網(wǎng)格是基于此前生成完整大腦分割的 JFRC2 標(biāo)準(zhǔn)腦模板，這些網(wǎng)格也被用于 Virtual Fly Brain（模擬果蠅）項(xiàng)目。通過一系列非剛性變換，該研究將這些網(wǎng)格從 JFRC2 空間移動(dòng)到 FlyWire（FAFB14.1）空間中。

注：FlyWire 是一個(gè)用于探索果蠅大腦的全腦連接組學(xué)平臺(tái)。自 2019 年以來，科學(xué)家和經(jīng)驗(yàn)豐富的校對(duì)員一直在使用 FlyWire 來校對(duì) AI 對(duì)整個(gè)果蠅大腦的分割。截至 2023 年 6 月，在 FlyWire 中已經(jīng)校對(duì)了超過 120,000 個(gè)神經(jīng)元，包括整個(gè)中央大腦。

如下圖所示，該研究重建的整個(gè)成年果蠅大腦包含 127,978 個(gè)神經(jīng)元（圖 1a），它們之間有 5300 萬個(gè)突觸。成年雌性果蠅的全腦圖像 (圖 1e, f) 先前通過串行切片傳輸 EM 獲得，并由 Zheng et al. 發(fā)布到公共領(lǐng)域。

本文表明，該研究對(duì)整個(gè)果蠅大腦的重建所得到的連接圖已經(jīng)足夠完整，足以被稱為「連接組（connectome）」。與秀麗隱桿線蟲（300 個(gè)神經(jīng)元，小于 10^4 個(gè)突觸）和果蠅第一齡幼蟲（3,000 個(gè)神經(jīng)元，5×10^5 個(gè)突觸）相比，其連接組有了明顯的飛躍：連接組不僅僅是數(shù)量上超越了果蠅半個(gè)大腦，它還涵蓋了果蠅中央大腦的食道下區(qū)（SEZ），該區(qū)域?qū)ξ队X和機(jī)械感知等非常重要，此外，連接組還涵蓋了從果蠅大腦向下驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的過程。

下圖為神經(jīng)元類別，圖（a）顯示將果蠅大腦中的神經(jīng)元按「流」進(jìn)行分類：內(nèi)在的、傳入的、傳出的。然后每個(gè)流類根據(jù)位置和功能進(jìn)一步劃分為「超類」。第一次公開發(fā)布的復(fù)眼缺失了約 8000 個(gè)視網(wǎng)膜細(xì)胞和一個(gè)半球的四個(gè)小眼珠，這些部分用陰影條表示。（b）利用這些神經(jīng)元注釋，該研究在果蠅大腦的超類之間創(chuàng)建了一個(gè)聚合的突觸圖。(c) 每個(gè)超類中所有神經(jīng)元的效果圖。(d) 除了眼神經(jīng)和頸結(jié)締組織 (CV) 外，每個(gè)半球還有 8 個(gè)神經(jīng)。所有穿過神經(jīng)的神經(jīng)元都被重建和解釋了。(e) 感覺神經(jīng)元可以根據(jù)其對(duì)感覺模態(tài)的響應(yīng)進(jìn)行細(xì)分。在 FlyWire 中，幾乎所有的感覺神經(jīng)元都已經(jīng)按模態(tài)進(jìn)行了分類。(f) 所有非視覺感覺神經(jīng)元的渲染圖。

下圖為果蠅大腦負(fù)責(zé)處理視覺信息的示圖：

下圖為信息通過果蠅的中央大腦流動(dòng)：