科學家成功繪製果蠅大腦全連接圖

科學家們夢想了半個多世紀的成就終於實現了：一個由大型國際團隊組成的研究小組詳細繪製出了具有眼睛和腿的成年動物每一個神經元的連接圖。

這個精巧的大腦，現在任何人都可以自由瀏覽，其大小不超過一顆罌粟籽，卻包含了13萬9255個神經元和5000萬個連接。它屬於一隻成年雌性果蠅（Drosophila melanogaster）。

與人類大腦的800億個神經元和100萬億個連接相比，這或許看似微不足道，但對於神經科學家自20世紀60年代以來的努力來說，這是一個巨大的飛躍。

如果歷史可以作為參考，這項研究可能會角逐未來的諾貝爾獎。

普林斯頓大學的神經科學家瑪拉·默西（Mala Murthy）表示：「這是一項重大成就。對於具有這種複雜度的成年動物，還沒有其他完整的大腦連接組圖。」

唯一可與之相比的是成年果蠅「半腦」的三維圖，但它僅包含約2萬個神經元。

未參與此次研究的埃默里大學生物學家安妮塔·德維內尼（Anita Devineni）在《自然》期刊的評論中預測，這張新的地圖將「徹底改變果蠅神經科學」。

從線蟲到果蠅：半個世紀的突破

大約半個世紀前，科學家們開始繪製動物大腦的連接圖，最初的目標是一種非常簡單的生物：沒有視力和腿的線蟲（Caenorhabditis elegans）。2002年，繪製這個僅有302個神經元的部分大腦連接圖的科學家們獲得了諾貝爾獎。

如今，過去需要12年以上才能完成的壯舉，現在只需不到一個月。2023年，研究人員完成了一張更大的大腦連接圖，包括果蠅幼蟲的所有3016個神經元。然而，這種幼蟲無法行走或看見。

成年果蠅的大腦是下一個重大進展。其大腦網絡支持視覺和複雜的行走動作，與人類相似，現在可以比以往更詳細地進行探索。

劍橋大學的分子生物學家格雷戈里·傑弗里斯（Gregory Jefferis）解釋道：「果蠅能做各種複雜的事情，比如行走、飛行、導航，雄性還會向雌性『唱歌』。大腦連接圖是理解我們感興趣的一切的第一步——我們如何控制運動、接電話或認出朋友。」

全球合作的成果

這個連接圖由來自122個機構的研究人員共同完成，主要貢獻來自普林斯頓大學、劍橋大學和佛蒙特大學。該項目需要超過7,000個成年雌性果蠅大腦的切片和2,100萬張圖像，數據量可填滿100台普通筆記型電腦。

普林斯頓大學開發的人工智慧程式在處理這些龐大數據中起了關鍵作用。結果被編入不少於9篇相關論文，作者群有部分重疊。

其中一篇論文為整張地圖添加了註解。為了糾正電腦分析的錯誤，研究團隊建立了一個眾包項目，讓全球的研究人員和志願者校對神經元的名稱和功能。如果由一個人全職工作，需要33年才能完成約300萬次手動編輯。

在這個圖譜中，所有已知的8,453種細胞類型，覆蓋了96%的神經元，其中有超過4,500種是科學新發現。

2023年從普林斯頓大學畢業的神經科學家斯文·多肯瓦爾德（Sven Dorkenwald）解釋說：「就像你不想在沒有導航的情況下開車去新地方一樣，我們也不想在沒有地圖的情況下探索大腦。我們建立了一個大腦的地圖集，並為所有的功能添加了註解。有了這個，研究人員現在可以有條理地導航大腦，嘗試理解它。」

未來的可能性

在一篇相關論文中，科學家們利用這個註解地圖，在果蠅的電腦模型中觸發神經元，導致它伸出喙部尋找糖，這與真實果蠅在這些神經元被激活時的行為一致。

迄今為止，已有6個諾貝爾獎頒給了研究普通果蠅的科學家們。第7個可能正在路上。

這項研究成果發表於最新一期的《自然》（Nature）期刊。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網 http://www.tomorrowsci.com

首圖來源：FlyWire.ai; Rendering by Philipp Schlegel/University of Cambridge/MRC LMB)(CC BY 4.0)

圖片來源：Princeton University)(CC BY 4.0)

參考論文：
Whole-brain annotation and multi-connectome cell typing of DrosophilaNature

延伸閱讀：
當果蠅開始打架：揭開持續憤怒之謎