科学家绘制出首张果蝇幼虫的完整脑图,AI

在12年的时间里，研究人员绘制了果蝇幼虫的所有大脑，绘制出了个神经元和个连接。这对神经科学来说绝对是个大新闻。

对大多数人来说，果蝇幼虫看起来无足轻重：一条苍白的、蠕动的、米粒状的蛆虫，只有几毫米长。然而，果蝇幼虫却以自己的方式过着丰富而有趣的生活，充满了感官输入、社交行为和学习。如果，你曾经怀疑过蛆虫的脑袋里有很多东西，现在，我们有了地图来证明这一点。

一个跨学科的科学家团队近日在《科学》杂志上发表了对一只果蝇幼虫大脑的完整重建和分析报告。由此产生的地图，或神经科学中所谓的连接体，包括构成果蝇整个中枢神经系统的个神经元中的每一个，以及神经元之间运行的个突触。连接体包括幼虫的两个脑叶，以及神经索。

上图：果蝇幼虫大脑的重建包括个神经元和个神经元之间的连接或突触。科学家表示，这是迄今为止发表的最复杂、最完整的动物大脑图谱。

第一个（大部分）完整的连接体是年发表的“线虫（秀丽隐杆线虫）”。为了建立最初的地图，这些科学家必须用彩色铅笔手工画出连接。共有个神经元和个突触和其他连接。

从那时起，神经科学的一个子集已经发展起来，致力于绘制日益复杂的生物体的大脑图。而且，已经取得了一些重大的进展。我们已经得到了多种线虫大脑的完整图谱。年发表了一份相对低分辨率的成年果蝇大脑图，但缺乏详细的连接分析。

上图：新的幼虫大脑图谱，或称连接体，覆盖了大脑的两个叶和神经索。

年，包括谷歌研究部门和霍华德休斯医学研究所珍妮利亚校区的科学家在内的一个多研究所小组，发表了成年果蝇中央大脑的部分连接组（2.5万个神经元，万个连接）。一年后，珍妮利亚校区的一个相关研究小组发表了对部分成年果蝇大脑的后续分析，并开始揭示“什么”背后的“为什么和如何”。在年的那项研究中，科学家们记录了感觉和运动路径以及其他复杂的动力学，帮助解释了苍蝇的大脑是如何使它成为苍蝇的。

然而，这是科学家第一次以如此高的分辨率对昆虫的整个大脑进行成像和分析。这是迄今为止构建的最完整的昆虫大脑图，也是迄今为止发表的所有动物中最复杂的完整连接体。简而言之：这是一个游戏规则改变者。

对一些人来说，这代表了神经科学领域的范式转变。果蝇是模式生物，许多神经结构和通路被认为在进化过程中是保守的。适用于果蝇蛆虫的道理，很可能也适用于其他昆虫、老鼠甚至人类。科学家们表示，他们将在跨学科的研究中参考这个大脑，就像生物学家参考第一个绘制的人类基因组一样。关于动物的神经系统、神经通路和大脑结构，它的信息比我们以前了解的都要多。此外，新发表的连接体可以为神经科学以外的研究提供信息，包括人工智能和发育生物学等领域。

托马斯·杰斐逊大学研究果蝇感觉系统的神经科学家蒂莫西·莫斯卡并没有参与这项新研究，但他表示说：“这是我们如何理解大脑连接方式的杰作。”

几十年来，我们已经绘制出了动物大脑的一些粗略元素。蒂莫西·莫斯卡解释说，科学家们知道运动神经元和感觉神经元通常聚集在哪里。但这种新的连接体就像从模糊的卫星视图一下子跃升到清晰的城市街道地图。在昆虫大脑皮层的逐块排列上，莫斯卡说：“现在我们知道每一家7-11（便利店）和每一家Target（商店）在哪里。”

为了完成连接体，剑桥大学的一组科学家花了12年的时间专注于一只6小时大的雌性果蝇幼虫的大脑。这个器官大约只有××70微米大小，实在是太小了——我们肉眼根本就不可能看见。然而，研究人员能够使用电子显微镜将其直观地切割成数千片，只有纳米厚。平均而言，仅对其中一个神经元进行成像就需要一天的时间。从那里开始，一旦神经元的物理地图，或“脑容量”完成，分析就开始了。

剑桥大学的神经科学家与约翰霍普金斯（JHU）大学的计算机科学家一起，对他们发现的神经元和突触进行了评估和分类。JHU的研究人员为这个精确的应用调整了一个计算机程序，以确定细胞和突触的类型，大脑连接的模式，并根据以前对行为和感觉系统的神经科学研究，将一些功能绘制到果蝇幼虫连接体上。

他们发现了许多惊喜。该研究的首席研究员之一、剑桥大学神经科学家迈克尔·温丁（MichaelWinding）指出，首先，果蝇幼虫的连接体显示出许多在大脑半球之间呈之字形的神经通路，这表明了大脑两侧的整合程度以及信号处理的细微差别。

上图：在他们的分析中，研究人员发现苍蝇大脑半球之间的联系出乎意料地多而复杂。

另一位剑桥大学神经生物学家、该研究的高级研究员玛尔塔·兹拉蒂奇（MartaZlatic）解释说，在某些区域，突触也高度递归、重复和强化——尤其是，在被认为推动学习的大脑区域。

有趣的是，这些从实际大脑映射出来的循环结构，似乎与一些人工智能模型（称为残差神经网络）的架构密切匹配，嵌套的路径允许不同程度的复杂性。当人工智能开发人员创建自然信息处理的人工代理时，他们会猜测大脑结构的细节。现在，至少在一个小方面，他们已经被证明是正确的。神经科学家迈克尔·温丁呼应了这一描述，称幼虫学习中心的布局是“连接的俄罗斯娃娃”。

不仅被揭示的神经结构是分层的，而且神经元本身似乎是多方面的。玛尔塔·兹拉蒂奇解释说，感觉细胞通过各种方式连接——视觉、嗅觉和其他输入在通往输出细胞的途中相互交叉和交互。“大脑进行了大量的多感官整合……这在计算上是一个非常强大的东西，”她补充道。

然后是细胞间连接的类型和相对数量。在神经科学中，经典的“典型”类型的突触从轴突延伸到树突。然而，温丁和兹拉蒂克说，在绘制的果蝇幼虫大脑中，这只占了大约三分之二的连接。轴突与轴突相连，树突与树突相连，树突与轴突相连。科学家们已经知道动物神经系统中存在这种联系，但其范围远远超出了他们的预期。温丁指出：“考虑到这些连接的广度，它们对大脑计算一定很重要。我们只是不知道具体是怎么回事。”

尽管，这一进展令神经科学家们兴奋不已（神经科学家蒂莫西·莫斯卡说:“我很高兴现在能做科学研究。”），但连接体并不能告诉我们一切。莫斯卡解释说，这是“一种动物某一时刻的快照”。它填补了一个巨大的研究空白——更普遍地理解幼虫和成虫阶段的大脑发育以及动物大脑结构，但它是有限的。

只有一张苍蝇神经元和突触的清晰图片，并不能告诉我们它们都做什么，大脑如何随着时间变化，或者个体之间的大脑有什么不同。例如，我们还没有数据来比较雄性和雌性果蝇的大脑。也不能追踪果蝇成熟时的神经变化。科学家说，如果把目前所有的连接体（已绘制）按发育顺序排列，就像看“一本少了几页的翻页书”。

JHU网络科学家、该研究的作者之一乔什·沃格尔斯坦（JoshVogelstein）表示，尽管人们不断将DNA与第一个完整的人类基因组图进行比较，但DNA是一个相对静态的数据集，是由生物体发育过程中的第一个细胞确定的。相反，“你的连接体每时每刻都在变化”。此外，乔什·沃格尔斯坦和他的同事在分析中使用的定义（即他们绘制地图的方式）是主观的。他解释说，他们将神经元定义为节点，将突触定义为边缘——其他人也可能会反过来，或者将整个大脑区域定义为节点。“对于连接体是什么，没有统一的答案。无论它是什么，它都会变化。”

这是关于动物的神经系统、神经通路和大脑结构的信息，比我们以往任何时候拥有的都多。

要分析出所有剩下的未知数，更多的研究是关键。过去几年成像技术的进步，使得收集脑容量数据的速度比十多年前这项新研究开始时要快得多。此外，通过乔什·沃格尔斯坦和他的同事开发的计算机程序，未来的分析可以进行得更快——修正数据需要几个月，处理数据需要几个小时，而不再是几年。

高级研究员玛尔塔·兹拉蒂奇打算以这一果蝇幼虫连接体为起点，收集更多的连接体，然后进行比较，以揭示功能联系（例如，摆动更快的苍蝇的大脑看起来有什么不同？）。神经科学家迈克尔·温丁正在组建自己的实验室小组，在那里，他将开始识别果蝇大脑中与社会行为相关的电路。从那里，他想开始实验地操纵这些电路，看看会发生什么。

上图：在幼虫连接体的网络图中，点是神经元，线是突触连接。沿着边界是研究人员发现的许多不同神经元形态（即形状）的一些例子。

其他人则致力于绘制更大生物体的大脑图谱。一个完整的成年果蝇连接体正在珍妮利亚校区进行中。有些人渴望研究像老鼠大脑一样大而复杂的动物大脑，尽管这项工作可能还需要很多年才能完成。

对于网络科学家乔什·沃格尔斯坦来说，这标志着朝着能够真正理解（甚至编码）意识迈出了一步。我们还没有做到这一点，但这种幼虫连接体代表了未来以计算机程序形式逆向工程复杂动物大脑的可能性。乔什·沃格尔斯坦说：“据我所知，世界上每个人都承认或同意意识需要大脑。”光有一张大脑地图“是不够的”，不足以揭示感知的全部奥秘。需要明确的是，“我们不可能仅仅通过这个连接体来模拟一个有意识的大脑，”他强调说。但它是“核心和必要的组成部分”。

在其他科学家们看来，尽管他们不是连接体研究人员，但他们已经准备好在自己的工作中使用新的幼虫研究。他们表示，这真的会给我们提供很多优秀的素材，让我们能够提出更复杂的研究问题。在神经科学和生物学领域，这将激发和启发的工作数量几乎是无限的。

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