玛尔塔·兹拉蒂克拥有可能是史上最乏味的电影收藏。这位神经科学家在弗吉尼亚州阿什本的珍妮莉亚研究园区内的实验室中，存储了超过 20,000 小时的黑白视频，视频的主角是果蝇 (Drosophila) 幼虫。这些影片中的主角正在做一些平凡的蛆虫行为，例如蠕动和爬行，但这些片段正在帮助解答现代神经科学中最大的问题之一：大脑的回路如何产生行为。
这是整个领域的主要目标：弄清神经元如何连接，信号如何在网络中传递，以及这些信号如何协同工作来引导动物活动、做出决定，或在人类中表达情感和创造意识。
即使在最平淡的条件下——“正常光照；没有感官线索；它们不饿”，兹拉蒂克说——她的果蝇幼虫也可以做出 30 种不同的动作，包括缩回或转动头部，或翻滚。这些动作是由一个仅包含 15,000 个神经元的大脑产生的。与人类大脑中的 860 亿个神经元相比，这简直不值一提，这也是兹拉蒂克和她的团队如此喜爱蛆虫的原因之一。
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“目前，真的，果蝇幼虫是最佳选择，”兹拉蒂克的合作者和丈夫，同样在珍妮莉亚工作的阿尔伯特·卡多纳说。“如果你能得到布线图，你就有了一个极好的起点，可以了解中枢神经系统是如何工作的。”
兹拉蒂克和卡多纳领导着全球数十个小组中的两个，这些小组正在为模式生物的大脑生成详细的布线图。用于切片大脑和追踪其连接的新工具和技术加速了过去几年的进展。由此产生的神经网络图谱带来了惊喜——例如，表明大脑可以使用一个网络以多种方式来产生相同的行为。
但是，即使理解最简单的电路——比兹拉蒂克蛆虫中的电路小几个数量级——也面临着一系列挑战。电路的布局和功能因动物而异。这些系统具有冗余性，使得难以将一种功能固定在一个电路上。此外，仅靠布线并不能完全解释电路如何产生行为；还需要考虑其他因素，例如神经化学物质。“我尽量避免使用‘理解’这个词，”弗洛里安·恩格特说，他正在哈佛大学（马萨诸塞州剑桥市）绘制斑马鱼大脑图谱。“当你说你理解某事物是如何运作的时，你到底是什么意思？如果你绘制出它的图谱，你并没有真正理解任何东西。”
尽管如此，科学家们开始在简单电路中检测到可能在更复杂的大脑中运行的模式。“这就是我们希望的，”哈佛医学院（马萨诸塞州波士顿市）的神经科学家威利·托宾说：“我们可以遇到通用的原则，可以帮助我们理解更大的系统。”
电路训练
科学家们拥有完整布线图的最简单大脑是线虫秀丽隐杆线虫的大脑，它只有 300 多个神经元。它的连接组——每个神经连接的图谱——于 20 世纪 80 年代1完成。但是，近距离观察这些连接的实际运作情况一直很困难。一些神经科学家怀疑蠕虫大脑的工作方式是否与更大的大脑相同。
这就是为什么许多人，像兹拉蒂克一样，依赖于生物实验室的另一个无脊椎动物堡垒——果蝇。果蝇幼虫足够复杂，可以展示一些有趣的行為，但神经元数量又足够少，使得电路图谱绘制项目成为可能。此外，兹拉蒂克和她的同事拥有一系列技术，例如光遗传学，其中使用光敏蛋白质来控制或监测果蝇进行活动时的神经元活动。
兹拉蒂克和卡多纳正在开发收集果蝇幼虫大脑高分辨率横截面图像的方法，并自动化从一个切片到另一个切片追踪所有连接的费力过程。然后，通过将行为和活动模式与他们的图谱进行匹配，团队可以找出哪些电路有助于哪些行为。
例如，一个难题是大脑如何在两个竞争动作之间做出选择。去年，卡多纳、兹拉蒂克和他们的团队追踪了当蛆虫面对恼人的气流时，允许它们在缩回头部或将其弯曲离开之间做出选择的电路2（同一只动物，被吹两次气，可能第一次选择弯曲，第二次选择缩回）。团队确定了他们认为对气流做出反应的神经元，并依次使用光遗传学激活它们。他们可以观察到缩回电路受到抑制，而弯曲电路得到加强，所有这些都在几毫秒内完成。然后，他们构建了一个计算模型，该模型可以预测幼虫以特定方式受到刺激时的反应。
许多实验室也在研究成年果蝇的连接组。整个大脑有 135,000 个神经元，对于完全重建来说太大了，因此科学家们正在研究神经系统较小的部分，他们可以在那里一起研究布线和活动。
例如，托宾研究的是果蝇大脑中帮助处理气味的一小部分——称为嗅小球的电路。果蝇大脑有 50 个这样的嗅小球，每个嗅小球在一个不超过 20 微米宽的区域内容纳几十个神经元，每个嗅小球分为两半，分别接收来自果蝇左右触角的信号。在托宾最新的研究3中，该研究于 5 月发表，他和他的团队取出一个嗅小球，将其精细切片，并使用电子显微镜重建了特定类型的所有 50 个神经元的布局，包括它们连接到哪些其他神经元以及连接强度。比较两半揭示了细胞数量和布线方面的一些显着差异，即使电路的功能没有改变。
托宾认为，电路的布线正在补偿发育的变数，这些变数导致两半看起来略有不同。他说，这种稳健性很可能是所有大脑的普遍特征，并且可能在某些疾病中丧失。“疾病是系统无法补偿的稳健性失败，”他说。
恩格特专注于斑马鱼幼虫 (Danio rerio) 的大脑，它大约有 100,000 个神经元。今年 5 月，他的团队发表了4整个斑马鱼幼虫大脑的重建，并使用它来观察相似神经元在发育过程中延伸和连接时所采取的路径。他们预计从大脑到脊髓的旅程中会存在一定程度的随机性，因为在哺乳动物中，这种投射通常会变得混乱和随意。但是他们调查的斑马鱼神经元成束地聚集在一起，并在动物的每一侧采取镜像路线。恩格特说，似乎对引导这些细胞很重要的事情是它们的遗传程序。他说，这些布线线索“比我们之前认为的要更加教条”。
一些团队正在构建小鼠大脑区域的电路图。例如，2014 年，由现在在新泽西州普林斯顿大学的塞巴斯蒂安·承领导的一个小组发表了小鼠视网膜中神经元及其连接的图谱5。通过观察神经元的形状和它们建立的连接——例如，星形神经元比分支较少的神经元具有更多的突触——该团队可以推测细胞是如何传递信号的。一些新绘制的细胞已知会以时间延迟向其他细胞发送信号，这可能解释了眼睛如何传输有关运动物体的信息。
交通堵塞
如果神经回路可以教给我们一个教训，那就是没有哪个网络小到不会产生惊喜——或挫败理解的尝试。30 年来，布兰迪斯大学（马萨诸塞州沃尔瑟姆市）的神经科学家伊芙·马德尔一直在研究螃蟹胃系统中的一个由 30 个神经元组成的简单电路。它的作用很简单，布线图也已经存在了几十年。尽管如此，该电路仍然有谜团要解开。例如，马德尔已经表明，尽管单个动物的电路可能看起来相同并产生相同的输出，但它们的信号强度和突触的电导差异很大6。今天，她专注于电路如何在离子通道和受体被替换时保持其特性。“你使用什么规则来替换所有组件，同时保持电路？”她问道，并补充说，所有这些挑战也适用于更大的网络。“我们离知道如何应对从正在行为并执行复杂任务的动物那里获得的那种信息还差得很远。”
科学家们正在为应对这种局面做准备。这项工作需要几种收集和分析数据的新方法，这些方法在过去五年左右的时间里应运而生。兹拉蒂克的团队与珍妮莉亚的其他团队合作，微调了其光遗传学工具。为了分析蛆虫视频，兹拉蒂克招募了统计学家和计算机科学家，他们专门从事机器学习，以设计分类幼虫运动的方法。
然后，在卡多纳的实验室中，科学家们致力于绘制幼虫大脑图谱，汇编了数千张用电子显微镜拍摄的大脑切片图像，并费力地追踪神经元之间的连接。这张图谱构成了他们其余工作的基础——绘制电路图、操纵电路、观察行为（参见“连接点”）。在第 175 页，该团队使用该协议揭示了果蝇大脑中称为蘑菇体的电路如何通过将奖励或惩罚的感觉与感官信息联系起来来控制学习和记忆7。但是卡多纳说，映射过程是目前该领域的一个主要障碍。为另一篇论文8重建果蝇气味检测电路的 160 个神经元部分花费了卡多纳团队 1,100 多个小时。一项估计9，从以前的果蝇工作推断，表明完成成年果蝇大脑的完整图谱将需要数百人年的时间。自动化该过程会有所帮助，但算法可能会添加虚假的连接或完全遗漏某些连接。
图片来源：Nik Spencer Nature
那些研究更大电路的人通常会分解问题——首先组装细胞类型列表。华盛顿州西雅图市艾伦脑科学研究所的小鼠大脑连接图谱正在采用这种方法。在 2014 年发表的工作中，该团队在小鼠视觉皮层中单独识别出10 49 种细胞类型；这些细胞在大小和形状、放电速度以及表达的基因方面各不相同。该团队预计整个大脑的细胞类型将多出几个数量级。“我猜最多可能有 10,000 种神经元类型，”在艾伦研究所研究图谱的曾红葵说。
当被问及估计绘制整个小鼠大脑图谱所需的数据量时，曾红葵先是笑了笑。然后她说：“这将是天文数字。我什至不知道是否有词可以形容这个。它超出了拍字节。拍字节的拍字节。”
如此庞大的数据量将仅由一只动物的连接组生成，但许多科学家希望达到可以生成多个连接组并进行比较的程度。托宾认为，不同动物的布线图很可能显示出重要——也许在功能上很有趣——的差异。到目前为止，“这还是一片 n = 1 的土地，”他说。
许多神经科学家的愿望清单上的另一个优先事项是同时记录大量神经元的活动。通过这种方式，研究人员可以刺激一个神经元，看看哪些其他神经元被激活，然后建立起导致行为的指挥链的动态图景。曾红葵说，这将是“更复杂的大脑的下一个巨大挑战”。
即使在马德尔偏爱的 30 个细胞的电路中，这仍然是假设性的。马德尔可以一次将电极插入少数细胞中。其他研究小型电路的人员使用各种技术来提供细胞何时放电的代理。例如，研究人员可以测量神经元放电后释放的钙，或观察细胞膜上电压变化引起的荧光。但这就像通过汽车产生的微风强度来测量汽车的速度：代理不如放电速率本身快。“目前，你可以记录所有神经元的活动，但速度有点慢，每秒两次，”兹拉蒂克说。“在这之间发生的事情你错过了。”
更精确地掌握电路的动态可能有助于为医学问题提供信息。马德尔花了 25 年的时间向学生讲授脑网络，包括帕金森病专家绘制的那些脑网络。“我越盯着他们的电路图，路径就越连接。”她承认，如果治疗有效，电路的细节并不重要，但它们可能有助于弄清为什么药物对某些人有效而对另一些人无效，或者什么与成功相关。临床证据表明，患有帕金森病的不同患者在某些大脑区域和回路中具有不同的潜在异常11。
但是一些研究人员认为坚持临床相关性是目光短浅的，他们认为电路图谱绘制任务本身就很有价值。“对我来说，制定一个最终将在病床旁结束的研究计划是很困难的，”恩格特谈到他对斑马鱼的研究时说。
至少目前，许多研究人员满足于接受手头任务的令人眼花缭乱的复杂性。兹拉蒂克从她开始看到她的果蝇幼虫中的神经元如何排列自身以及它们如何创建反馈回路中获得了一些安慰。她说，这种模块化安排可能会使团队一旦完成图谱绘制工作就会变得更容易。“当你拥有部分信息时，它看起来像一团糟，”她说。“也许最令人惊讶的是，一旦你开始看到一个相对完整的系统，它就变得多么有意义。”
本文经许可转载，最初于2017 年 8 月 9 日首次发表。