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利用谷歌技术，科学家们绘制出了果蝇大脑的神经地图

来源：晰数塔互联网快讯时间：2021年12月13日 17:57

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编者按：借助谷歌的科技，研究人员近日在绘制果蝇大脑神经地图方面有了新突破。在一篇已发表的长篇科学论文中，科学家们介绍了果蝇导航、定位、了解周遭环境时大脑神经元的变化。科学家们也在这篇文章中，回答了为什么研究果蝇大脑神经元对人类如此重要。本文来自编译。

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美国弗吉尼亚州霍华德休斯医学研究所珍利亚研究园区的神经科学家维维克·贾亚拉曼 (Vivek Jayaraman) 说，果蝇的大脑只有罂粟籽那么大，很容易被人忽视掉。许多人甚至不觉得果蝇有大脑。

但事实上，这种虫子却过着相当丰富的生活。苍蝇可以做出复杂的行为。它们那颗小小的大脑结构非常复杂，含有大约10万个神经元和数以千万计的连接和突触。

自2014年以来，贾亚拉曼的科学研究团队就开始和谷歌的研究人员合作，绘制这些神经元和突触的地图，以创建大脑神经连接图谱，从中一窥果蝇大脑的秘密。

即使有着最先进的机器学习算法辅助，这项工作也是相当耗时和昂贵。到目前为止，他们已经画出了果蝇大脑关键区域的粗糙的神经元图谱。

现在，他们在《eLife》上发布了一篇新论文，以解释这些发现有何作用。

通过分析果蝇大脑的一小部分——在导航时发挥重要作用的中央复合体——的连接组，维维克·贾亚拉曼和他的团队绘制了数十种新的神经元类型，并了解了它们的神经回路。通过分析果蝇的大脑，我们可以深入了解包括人类在内的各类动物的大脑如何处理信息、并将其转化为适当的行动。

这也证明了现代连接组学（连接组学是神经学的分支——译者注）的原理，这个领域着重研究大脑神经分布连接，它因潜在的科学红利而被看好。

西雅图艾伦脑科学研究所的高级研究员克莱-里德 (Clay Reid) 博士在谈到这篇新论文时说：“这真的很了不起，我认为任何一位看完这篇论文的人都会说，连接组学是研究神经科学的重要工具。”

动物界唯一有完整连接组的蛔虫是秀丽隐杆线虫 (C. elegans)。诺贝尔奖获得者、生物学家悉尼·布伦纳 (Sydney Brenner) 于 1960 年代启动了这个研究项目，他的团队花了数十年的时间，终于用彩笔手绘出了这种蛔虫的302个神经元。

“布伦纳意识到，想要了解神经系统，必须了解它的结构。” 阿尔伯特爱因斯坦医学院的神经科学家和遗传学家斯科特·埃蒙斯 (Scott Emmons) 说，他后来使用数字技术重新创建出了秀丽隐杆线虫的神经连接组。“整个生物学都是如此，结构是如此重要。”

布伦纳及同事于1986年发表了具有里程碑意义的论文。但直到2006年，现代连接组学才开始有了飞跃式的发展。因为到这个时期，新的成像技术和计算能力才能让绘制大脑连接图成为可能。近年来，研究团队开始用技术绘制斑马鱼、鸣禽、小鼠、人类等的大脑连接组。

当美国珍利亚研究园区于2006年开放后，它的创世董事杰拉尔德·鲁宾 (Gerald Rubin) 就将目光投向了果蝇。

从那以后，珍利亚研究园区的不同团队都开始了果蝇连接组项目。最后得以写成论文发表的这项研究始于2014年，研究对象是一个五天大的雌性果蝇的大脑。

研究人员将果蝇大脑切片，用聚焦离子束扫描电子显微镜对它逐层成像。这种显微镜可以锉掉大脑的薄层，只留下连接组织的影像。显微镜会重复这一过程，直到成像里不再有任何薄层残留。

然后，团队会使用计算机的成像软件，将数百万张图片拼接成一个3D图，然后将它发送给谷歌。在那里，谷歌的研究人员会使用最先进的机器学习算法来识别每个单独的神经元，并追踪和绘制它的分支。

最后，珍利亚研究园区的团队会使用额外的计算工具，来精确定位突触，校对机器的工作，纠正错误，改进绘制好的连接图。

去年，研究人员发表了一个“半脑”连接组地图，这是苍蝇大脑很大的一部分，其中包括对睡眠、学习和导航至关重要的区域和结构。研究人员公开的、可以在线访问的数据涉及2.5万个神经元和超过2000万个突触，远远超出了秀丽隐杆线虫的连接组数据。

纽约洛克菲勒大学的神经科学家科里·巴格曼 (Cori Bargmann) 将这一数据称之为“戏剧性的增长”。

一旦半脑连接组的地图绘制好了，飞行导航神经科学专家贾亚拉曼 (Jayaraman) 就希望可以深入研究中央复合体的数据。

所有昆虫的大脑区域包含近3000个神经元，这样的神经元帮助苍蝇建立空间概念，帮助它们确定下一步行动，如寻找食物。

贾拉曼和他的同事研究了该区域的神经回路是如何组合在一起的。比如，他的助理深入分析了将感觉信息发送到椭球体的神经元——椭球体是一种充当果蝇脑中“罗盘”的环形结构。经研究，他们发现传递光偏振信息的神经元和椭球体的神经元连接更密切。这种传递光偏振信息的神经元也会抑制其他提供导航线索信息的脑细胞。

研究人员因此假设，果蝇优先使用光偏振信息来掌握周遭环境和导航。但是当这一信息不足时，它们也会灵活选用大脑收到的其他信息，来掌握周遭环境的局部特征。

其他小组则发现了帮助果蝇预测和定位方向的神经回路。举个例子，一只果蝇发现了一个腐烂的香蕉，但它决定先往前再飞一会儿找找更美味的食物；当它最后没有找到更美味的食物时，它会通过这种神经回路帮助自己定位刚才的香蕉的位置，从而成功返回。连接组数据表明，某些脑细胞（技术上称之为PFL3的神经元）可以帮助果蝇完成这一操作。

贾亚拉曼团队的成员布拉德·赫尔斯 (Brad Hulse) 对这一发现表示惊叹，他补充说“连接组向我们展示了比想象中更多的内容”。

这份论文的草稿包括360页，但这仅仅是个开始。瑞典隆德大学昆虫神经科学专家斯坦利·海因策 (Stanley Heinze) 说：“它（这项研究）为探索大脑这一区域提供了基本的事实”，“我会将它看成一篇论文，而是一本书”。

贾亚拉曼说，这篇研究因为太长，最开始是被拒绝作为论文发表的。后来它在《eLife》上得以发表，但期间需要和编辑人员来回交流。

贾亚拉曼及同事认为，神经科学中前辈的研究成果对这项研究非常重要。如果不是前几十年科学家们已经对果蝇行为有了研究，以及对基本神经元生理学、神经科学有了贡献，那么他们将无法从连接组中推断出这么多内容。

有人可能会问，为什么研究果蝇的大脑神经元如此重要。答案是，苍蝇不是老鼠、黑猩猩或人类，但它们的大脑执行一些和上述生物相同的基本任务。圣路易斯华盛顿大学的神经科学家大卫·范·埃森 (David Van Essen) 说，了解昆虫的基本神经回路，可以有助于了解其他动物（比如哺乳动物）的大脑如何运作。

为更大、更复杂的大脑绘制连接组地图将更具挑战性。比如，小鼠大脑包含大约 7000 万个神经元，而人类大脑则高达 860 亿个。这个方向的研究正在进行中，研究人员表示：“还有许多事情要做。”

译者：Michiko