3016個神經元和54.8萬個突觸，首張昆蟲大腦圖譜繪就

圖片來源：Eye of Science/Science Photo Library

科學家繪制了第一張完整的昆蟲大腦圖譜，包括所有神經元和突觸。這是理解大腦如何處理感官信息流并將其轉化為行動的里程碑式成就。相關論文3月9日發表于《科學》。

果蠅是一種重要的模式動物，黑腹果蠅幼蟲的大腦比罌粟籽還小。這項研究首次提供了黑腹果蠅被稱為連接體的大腦接線圖，描繪了其幼蟲大腦中的3016個神經元和54.8萬個突觸。

“現在有了可參考的大腦圖譜，我們可以在阿爾茨海默病、帕金森癥以及任何退行性疾病模型中觀察連接性的變化。”論文合著者、英國劍橋大學神經科學家Marta Zlatic說。

到目前為止，科學家只繪制了秀麗隱桿線蟲、杜氏闊沙蠶的連接體，此外還有玻璃海鞘幼蟲。

果蠅是連接體研究的理想模型，因為科學家已經對其基因組進行了測序，而且幼蟲的身體是透明的。果蠅也表現出復雜的行為，包括學習、導航、處理氣味以及權衡一項行動的風險和收益。

“它的規模對于目前的技術來說是可控的。”中國臺灣清華大學計算神經科學家Chung-Chuang Lo表示。

“如果是上世紀80年代秀麗隱桿線蟲的工作還在進行時，就追問果蠅這個項目，那是不可能的。”論文合著者、劍橋大學神經科學家Albert Cardona說。

研究人員花了一年半時間，用納米分辨率的電子顯微鏡捕捉了一只6小時大的果蠅幼蟲的大腦圖像。然后，他們使用計算機輔助程序精確定位神經元和突觸，并花了幾個月的時間手動檢查它們。

研究人員確定了3016個神經元，其中93%與另一個大腦半球的伙伴神經元配對。大多數未配對的神經元是凱尼恩細胞，即學習和記憶中心的關鍵神經元。

研究人員隨后追蹤了每個神經元的扭曲連接，并注釋了54.8萬個突觸，這些突觸可分為4種類型。德國科隆大學神經科學家Kei Ito說：“這真的很耗時，是一項勞動密集型工作。”

大多數連接體的研究工作都包括一種類型的連接——從一個神經元的軸突到另一個神經元的樹突，而忽略了軸突到軸突或樹突到樹突的連接。“現在我們需要重新考慮它們，因此應創建一個新的神經系統計算模型。”Lo說。

這項研究的大腦接線圖顯示，昆蟲大腦是多層的，不同長度的通路連接著大腦的輸入和輸出。“這是一種很好的嵌套結構。” 論文合著者、英國劍橋大學神經科學家Michael Winding說。

但有些大腦網絡有“捷徑”，可以跳過幾層。作者認為，這樣的捷徑可以提高大腦計算能力，彌補神經元數量有限的不足。他們還發現，41%的大腦神經元形成了“循環回路”，向上游“伙伴”提供反饋。

這些捷徑和循環類似于人工智能研究中使用的最先進的人工神經網絡。

目前的圖譜只提供了單一動物的數據，Lo說，下一步是繪制成年果蠅的大腦，它更復雜，神經元也更多。作者表示，技術的進步將允許最終繪制其他物種的圖譜。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.add9330