IT之家 10 月 8 日消息，一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì) 10 月 2 日在《自然》上發(fā)表了一組共 9 篇論文，介紹他們繪制出的成年果蠅完整“腦圖譜”，即包含腦部所有神經(jīng)元及其連接狀況的線(xiàn)路圖。
據(jù)研究人員介紹稱(chēng)，這是迄今所有生物中首張完整“腦圖譜”，為了解果蠅感官知覺(jué)、記憶甚至交配儀式的大腦結(jié)構(gòu)提供了新的見(jiàn)解，堪稱(chēng)神經(jīng)生物學(xué)研究的一個(gè)里程碑。
普林斯頓神經(jīng)科學(xué)研究所科學(xué)家瑪拉?穆?tīng)柕伲∕ala Murthy）表示，果蠅是“神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)重要模型系統(tǒng)，對(duì)果蠅大腦的研究具有重要意義。“我們正在解決的一個(gè)主要問(wèn)題是，大腦中的線(xiàn)路、神經(jīng)元及其連接如何激發(fā)動(dòng)物行為?！?/p>
劍橋大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家、該研究的共同負(fù)責(zé)人之一格雷戈里?杰弗里斯（Gregory Jefferis）表示，“如果我們想弄清楚大腦是如何工作的，我們就需要從機(jī)械原理上理解所有神經(jīng)元是如何組合在一起并讓你產(chǎn)生思考的。對(duì)于大多數(shù)大腦，我們不知道這些（神經(jīng)元）網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)作的”，“果蠅可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的動(dòng)作，例如行走、飛行、尋找方向，雄性果蠅還會(huì)向雌性唱歌（求偶）。大腦連接線(xiàn)路圖是讓我們理解這其中所有奧秘的第一步 —— 我們?nèi)绾慰刂谱约旱倪\(yùn)動(dòng)、接聽(tīng)電話(huà)或認(rèn)出朋友?！?/p>
時(shí)間回溯到 2013 年，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的神經(jīng)科學(xué)家戴維?博克（Davi Bock）及其團(tuán)隊(duì)將一只成年雌性果蠅的大腦浸入一種硬化化學(xué)溶液中；并于 2018 年完成準(zhǔn)備后小心翼翼地將這一罌粟籽大小的果蠅大腦切成 7,050 層，并用電子顯微鏡為這些切片拍攝了 2100 萬(wàn)張照片。
隨后，他們將這些圖像公之于眾，而這些數(shù)據(jù)引起了瑪拉?穆?tīng)柕俸推樟炙诡D大學(xué)神經(jīng)科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授承現(xiàn)峻（Sebastian Seung）的興趣，他們希望可以使用這些圖像繪制出果蠅大腦“腦圖譜”，包括每個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元和突觸。
“這聽(tīng)起來(lái)真的很離譜，”穆?tīng)柕賹?duì)《科學(xué)》雜志的 Rodrigo Pérez Ortega 說(shuō)，“這項(xiàng)工程太大了。之前從沒(méi)有人做過(guò)這么大規(guī)模的圖譜。”
他們先是利用 AI 根據(jù)圖像數(shù)據(jù)重建果蠅的腦細(xì)胞，但最終得到的模型并不完美，甚至還包括一些錯(cuò)誤。為此，研究人員共同成立了 FlyWire 聯(lián)盟，招募數(shù)百名志愿者對(duì)“ 3D 大腦”進(jìn)行手動(dòng)校對(duì)和注釋。
經(jīng)過(guò) 4 年多的努力，研究團(tuán)隊(duì)最終成功制作出迄今為止最完整的生物“腦圖譜”，總共包含近 14 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元、8,453 種不同類(lèi)型的神經(jīng)元和超過(guò) 5450 萬(wàn)個(gè)突觸。
IT之家注意到，研究人員此前已經(jīng)繪制了出海洋蠕蟲(chóng)幼蟲(chóng)（78 個(gè)神經(jīng)元）、海鞘幼蟲(chóng)（177 個(gè)神經(jīng)元）和成年蛔蟲(chóng)（302 個(gè)神經(jīng)元）的大腦部分圖譜，但規(guī)模之大遠(yuǎn)比不上這張果蠅的“腦圖譜”。
可惜的是，以人類(lèi)目前的技術(shù)，我們暫時(shí)無(wú)法對(duì)自身的“腦圖譜”進(jìn)行繪制，因?yàn)槿祟?lèi)大腦擁有 860 億個(gè)神經(jīng)元和數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的連接，復(fù)雜程度大約是果蠅大腦的 100 萬(wàn)倍。
在對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行標(biāo)記分類(lèi)的過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了 8453 種神經(jīng)元，其中 4581 種是新發(fā)現(xiàn)的，可提供大量新的研究方向。另外，不同細(xì)胞相互連接的一些方式也令研究人員感到驚訝。比如，那些被認(rèn)為只參與一種感覺(jué)線(xiàn)路的神經(jīng)元往往會(huì)接收來(lái)自多種感官的線(xiàn)索，比如視覺(jué)通路的神經(jīng)元會(huì)接受來(lái)自聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)通路的信號(hào)。
據(jù)介紹，果蠅與人類(lèi)有 60% 的 DNA 以及 75% 的導(dǎo)致遺傳疾病的基因是相同的，它們同樣可以喝醉、唱歌，還可以用咖啡保持清醒，這表明我們的大腦有相似之處。因此，詳細(xì)了解果蠅的大腦可能會(huì)對(duì)人類(lèi)大腦的研究產(chǎn)生影響。
《自然》論文顯示，他們創(chuàng)建了整個(gè)果蠅大腦的計(jì)算機(jī)模型，包括所有神經(jīng)元之間的所有連接，通過(guò)激活其中一些神經(jīng)元來(lái)測(cè)試可能引起的反應(yīng)，然后在真正的果蠅大腦中激活相同神經(jīng)元，予以驗(yàn)證。結(jié)果顯示，在預(yù)測(cè)哪些神經(jīng)元會(huì)做出反應(yīng)并引發(fā)果蠅做出哪些動(dòng)作方面，模型的準(zhǔn)確率超過(guò) 90%。還有一篇論文分析了果蠅行走背后的大腦回路，研究它如何停下來(lái)等。
承現(xiàn)峻認(rèn)為，作為神經(jīng)科學(xué)的新興分支，連接組學(xué)開(kāi)啟了“神經(jīng)科學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型”，這種轉(zhuǎn)型將擴(kuò)展到大腦模擬，從而推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究加速發(fā)展。據(jù)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，繪制老鼠大腦完整“腦圖譜”的工作已經(jīng)開(kāi)始，研究人員希望在 5 年至 10 年內(nèi)完成。
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