3016个神经元和54.8万个突触，首张昆虫大脑图谱绘就

图片来源：Eye of Science/Science Photo Library

科学家绘制了第一张完整的昆虫大脑图谱，包括所有神经元和突触。这是理解大脑如何处理感官信息流并将其转化为行动的里程碑式成就。相关论文3月9日发表于《科学》。

果蝇是一种重要的模式动物，黑腹果蝇幼虫的大脑比罂粟籽还小。这项研究首次提供了黑腹果蝇被称为连接体的大脑接线图，描绘了其幼虫大脑中的3016个神经元和54.8万个突触。

“现在有了可参考的大脑图谱，我们可以在阿尔茨海默病、帕金森症以及任何退行性疾病模型中观察连接性的变化。”论文合著者、英国剑桥大学神经科学家Marta Zlatic说。

到目前为止，科学家只绘制了秀丽隐杆线虫、杜氏阔沙蚕的连接体，此外还有玻璃海鞘幼虫。

果蝇是连接体研究的理想模型，因为科学家已经对其基因组进行了测序，而且幼虫的身体是透明的。果蝇也表现出复杂的行为，包括学习、导航、处理气味以及权衡一项行动的风险和收益。

“它的规模对于目前的技术来说是可控的。”中国台湾清华大学计算神经科学家Chung-Chuang Lo表示。

“如果是上世纪80年代秀丽隐杆线虫的工作还在进行时，就追问果蝇这个项目，那是不可能的。”论文合著者、剑桥大学神经科学家Albert Cardona说。

研究人员花了一年半时间，用纳米分辨率的电子显微镜捕捉了一只6小时大的果蝇幼虫的大脑图像。然后，他们使用计算机辅助程序精确定位神经元和突触，并花了几个月的时间手动检查它们。

研究人员确定了3016个神经元，其中93%与另一个大脑半球的伙伴神经元配对。大多数未配对的神经元是凯尼恩细胞，即学习和记忆中心的关键神经元。

研究人员随后追踪了每个神经元的扭曲连接，并注释了54.8万个突触，这些突触可分为4种类型。德国科隆大学神经科学家Kei Ito说：“这真的很耗时，是一项劳动密集型工作。”

大多数连接体的研究工作都包括一种类型的连接——从一个神经元的轴突到另一个神经元的树突，而忽略了轴突到轴突或树突到树突的连接。“现在我们需要重新考虑它们，因此应创建一个新的神经系统计算模型。”Lo说。

这项研究的大脑接线图显示，昆虫大脑是多层的，不同长度的通路连接着大脑的输入和输出。“这是一种很好的嵌套结构。” 论文合著者、英国剑桥大学神经科学家Michael Winding说。

但有些大脑网络有“捷径”，可以跳过几层。作者认为，这样的捷径可以提高大脑计算能力，弥补神经元数量有限的不足。他们还发现，41%的大脑神经元形成了“循环回路”，向上游“伙伴”提供反馈。

这些捷径和循环类似于人工智能研究中使用的最先进的人工神经网络。

目前的图谱只提供了单一动物的数据，Lo说，下一步是绘制成年果蝇的大脑，它更复杂，神经元也更多。作者表示，技术的进步将允许最终绘制其他物种的图谱。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.add9330