果蝇可能不是最聪明的生物，但科学家仍然可以从它的大脑中学到很多东西。研究人员现在希望这样做，因为他们有了一张新的地图——迄今为止任何生物最完整的地图——单个果蝇（黑腹果蝇）的大脑地图。这张线路图，或称“连接体”，包括近 140,000 个神经元，捕捉了超过 5450 万个突触，这些突触是神经细胞之间的连接。
西雅图艾伦脑科学研究所的神经生物学家克莱·里德说：“这是一件大事，”，他没有参与该项目，但曾与该团队的一名成员合作。“这是世界长期以来一直焦急等待的事情。”
该地图在今天发表在《自然》杂志上的关于数据的九篇论文的合集中进行了描述。其创建者是被称为 FlyWire 的联盟的一部分，该联盟由新泽西州普林斯顿大学的神经科学家马拉·默蒂和塞巴斯蒂安·承共同领导。
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漫长的道路
承和默蒂说，他们使用果蝇大脑切片的电子显微镜图像，开发 FlyWire 地图已超过四年。研究人员和他们的同事借助人工智能 (AI) 工具，将数据拼接在一起，形成了大脑的完整地图。
但这些工具并不完美，线路图需要检查错误。科学家们花费了大量时间手动校对数据——时间之多，以至于他们邀请志愿者来帮忙。剑桥大学神经科学家、合著者格雷戈里·杰弗里斯表示，总共有联盟成员和志愿者进行了超过 300 万次手动编辑。（他指出，这项工作大部分发生在 2020 年，当时果蝇研究人员在 COVID-19 大流行期间赋闲在家，在家工作。）
但工作还没有完成：地图仍然需要注释，在这个过程中，研究人员和志愿者将每个神经元标记为特定的细胞类型。杰弗里斯将这项任务比作评估卫星图像：人工智能软件可能会被训练来识别此类图像中的湖泊或道路，但人类将不得不检查结果并命名特定的湖泊或道路本身。总而言之，研究人员识别出 8,453 种神经元——远超出了任何人的预期。其中，有 4,581 种是新发现的，这将开辟新的研究方向，承说。“每一种细胞类型都是一个问题，”他补充道。
该团队对各种细胞相互连接的一些方式也感到惊讶。例如，原本认为仅参与一种感觉线路（例如视觉通路）的神经元，往往会接收来自多种感官的线索，包括听觉和触觉1。“大脑的互连程度令人震惊，”默蒂说。
探索地图
FlyWire 地图数据在过去几年中一直可供研究人员探索。这使科学家能够更多地了解大脑和果蝇——这些发现被收录在今天发表在《自然》杂志上的一些论文中。
例如，在一篇论文中，研究人员使用连接体创建了整个果蝇大脑的计算机模型，包括神经元之间的所有连接。他们通过激活他们知道可以感知甜味或苦味的神经元来测试它。然后，这些神经元在虚拟果蝇的大脑中引发了一连串的信号，最终触发了与果蝇喙（相当于哺乳动物的舌头）相连的运动神经元。当甜味回路被激活时，会传递一个伸出喙的信号，就好像昆虫正准备进食一样；当苦味回路被激活时，该信号被抑制。为了验证这些发现，该团队在真正的果蝇中激活了相同的神经元。研究人员了解到，该模拟在预测哪些神经元会做出反应以及果蝇的行为方式方面，准确率超过 90%。
在另一项研究中，研究人员描述了两个线路，它们发出信号指示果蝇停止行走。其中一个包含两个神经元，这两个神经元负责在果蝇想要停止进食时停止从大脑发送的“行走”信号。另一个线路包括神经索中的神经元，神经索接收和处理来自大脑的信号。这些细胞在果蝇的腿关节中产生阻力，使昆虫在梳理自己时能够停下来。
新连接体的一个局限性是，它是从单个雌性果蝇创建的。尽管果蝇的大脑彼此相似，但它们并非完全相同。到目前为止，最完整的果蝇大脑连接体是“半脑”地图——果蝇大脑的一部分，包含约 25,000 个神经元。在今天发表的《自然》杂志论文之一中，杰弗里斯、佛蒙特大学伯灵顿分校的神经生物学家戴维·博克和他们的同事将 FlyWire 大脑与半脑进行了比较。
一些差异非常显著。与半脑绘图项目中使用的果蝇相比，FlyWire 果蝇在一个名为蘑菇体的脑结构中（该结构参与嗅觉）的神经元数量几乎是后者的两倍。博克认为，这种差异可能是因为半脑果蝇在仍在生长时可能已经饿死了，这损害了它的大脑发育。
FlyWire 研究人员表示，要充分了解果蝇大脑，还有很多工作要做。例如，最新的连接体仅显示神经元如何通过化学突触连接，神经递质分子通过化学突触传递信息。它没有提供任何关于神经元之间电连接的信息，也没有提供关于神经元如何在突触外进行化学交流的信息。默蒂希望最终也能拥有雄性果蝇的连接体，这将使研究人员能够研究雄性特有的行为，例如唱歌。“我们还没有完成，但这迈出了一大步，”博克说。
本文经许可转载，并于 2024 年 10 月 2 日首次发表。