Science：首次绘制出昆虫大脑图谱

在一项新的研究中，来自美国约翰霍普金斯大学和英国剑桥大学等研究机构的研究人员绘制出迄今为止最先进的详细的昆虫大脑图谱，追踪了幼虫果蝇大脑中的每个神经连接，这是神经科学领域的一个里程碑式的成就，使得科学家们更接近于对思维机制的真正理解。这一发现可能成为未来大脑研究的基础，并激发新的机器学习架构。相关研究结果发表在2023年3月10日的Science期刊上，论文标题为“The connectome of an insect brain”。

论文共同通讯作者、约翰霍普金斯大学生物医学工程师Joshua T. Vogelstein说，“如果我们想了解我们是谁以及我们如何思考，其中一部分就是了解思考的机制。这其中的关键是知道神经元如何相互连接。”Vogelstein擅长数据驱动项目，包括连接组学（connectomics），即对神经系统连接的研究。

第一次绘制大脑图谱的尝试始于20世纪70年代的对蛔虫的14年研究，产生了一种部分大脑图谱。从那时起，在包括果蝇、小鼠甚至人类在内的许多系统中绘制了部分连接组（connectome），但这些重建通常只代表整个大脑的一小部分。只有几种体内有几百到几千个神经元的小物种---蛔虫、幼虫海鞘和幼虫海洋环虫---生成了全面的连接组。

在这项新的研究中，这些作者绘制的黑腹果蝇幼虫连接组是迄今为止完成的最完整以及最广泛的整个昆虫大脑图谱。它包括3016个神经元和它们之间的总共548000个的连接。

Vogelstein说，“已经过去50年了，这是第一个大脑连接组。这是我们可以做到的一面旗帜。一切都在朝着这个方向发展。”

绘制整个大脑图谱是困难的，而且极其耗时，即使有最好的现代技术，也是如此。要想获得大脑的完整细胞水平图片，需要将大脑切成数百或数千个单独的组织样本，所有这些样本都必须用电子显微镜进行成像，然后再通过艰苦的过程将所有这些样本逐个神经元地重建为一种完整、准确的大脑图谱。针对果蝇幼虫花了十多年的时间才做到这一点。据估计，小鼠的大脑比果蝇幼虫的大脑大一百万倍，这意味着在不久的将来不可能绘制出接近人类大脑的图谱，甚至可能在我们的有生之年也不可能。

这些作者特意选择了果蝇幼虫，因为作为一种昆虫，该物种与人类有着许多基本的生物学特性，包括相似的遗传基础。它还具有丰富的学习和决策行为，这使得它成为神经科学中有用的模型生物。出于实用的目的，它相对紧凑的大脑可以被成像，并在合理的时间范围内重建它的神经回路。

即便如此，这项新研究还是花费了剑桥大学和约翰霍普金斯大学的12年时间。仅仅是成像每个神经元就花了大约一天的时间。

来自剑桥大学的研究人员创建了高分辨率的大脑图像，并手动研究它们以找到单个神经元，严格追踪每个神经元并与它们的突触连接关联起来。

剑桥大学将这些数据移交给约翰霍普金斯大学，在那里他们花了三年多的时间，使用他们创建的原始代码来分析大脑的连接。来自约翰霍普金斯大学的研究人员开发了技术，根据共享的连接模式找到成组的神经元，然后分析了信息如何在大脑中传播。

最后，这些作者绘制了每个神经元和每个连接的图表，并根据每个神经元在大脑中扮演的角色对其进行分类。他们发现，大脑中最繁忙的神经回路是那些通往和离开学习中心的神经元。

果蝇幼虫大脑的连接组。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.add9330。

约翰霍普金斯大学开发的方法适用于任何大脑连接项目，他们的代码可供任何试图绘制更大的动物大脑的人们使用，Vogelstein说，尽管存在挑战，但科学家们仍然在未来十年内有望对小鼠进行研究。其他研究团队已在着手绘制成年果蝇的大脑图谱。论文共同第一作者、约翰霍普金斯大学生物医学工程系博士生Benjamin Pedigo预计，他们的代码可能有助于揭示成年果蝇大脑和幼虫果蝇大脑中连接的重要对比。随着更多的幼虫和其他相关物种的连接组的产生，Pedigo预计他们的分析技术可能有助于更好地理解大脑连接的变化。

这项针对果蝇幼虫的新研究显示了神经回路的特征，这些特征令人惊人地联想到突出而强大的机器学习架构。这些作者预计继续研究将揭示更多的计算原理，并有可能激发人们开发出新的人工智能系统。

Vogelstein说，“我们对果蝇编码的了解将对人类的编码产生影响。这就是我们想要了解的-如何编写一个能通向人类大脑网络的程序。”

参考资料：

Michael Winding et al. The connectome of an insect brain. Science, 2023, doi:10.1126/science.add9330.