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【Science】耗时12年！剑桥大学绘制最完整果蝇全脑图谱！3,016个神经元，548,000个突触！

花匠小妙招
2025-01-15 05:31

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作者：Jevin

导读：研究人员已经完成了迄今为止最先进的昆虫大脑图谱，这是神经科学领域的一个里程碑式的成就，它使科学家更能真正理解思维的机制。

2023年3月10日，迄今为止最完整的果蝇幼虫全脑神经元连接组图谱—“大脑地图”在线发表在国际学术期刊《Science》科学杂志上，这一研究成果将支持未来的脑科学研究，并启发人们设计出新一代AI系统。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330

研究背景

历史上，科学家们第一次开始尝试绘制大脑图谱，是从20世纪70年代开始对线虫进行长达14年的研究，结果绘制出了部分大脑图谱，并获得了诺贝尔奖。从那时起，科学家们在许多系统中绘制出部分连接组，包括果蝇、小鼠，甚至人类，但这些通常只代表了整个大脑的一小部分。只有几个体内有几百到几千个神经元的小物种生成了全面的连接组，比如线虫、幼虫海鞘和幼虫海洋环虫。

即使使用最好的现代技术，绘制整个大脑的图像也非常困难和耗时。要获得完整的大脑细胞水平的图像，需要将大脑切成成百上千个单独的组织样本，所有这些样本都必须用电子显微镜成像，然后再通过艰苦地将所有这些碎片，一个神经元一个神经元地重建成完整、准确的大脑画像。研究人员花了十多年时间来研究果蝇幼虫。据估计，小鼠的大脑比一只果蝇幼虫的大脑大100万倍，这意味着在不久的将来，绘制与人类大脑相似的大脑图的可能性不大，甚至在我们的有生之年都不太可能。

研究过程

研究小组有意选择果蝇幼虫，因为作为一种昆虫，果蝇的许多基本生物学特征与人类相同，包括相似的遗传基础。它还具有丰富的学习和决策行为，使其成为神经科学中有用的模式生物。在实际应用中，它相对紧凑的大脑可以成像，并在合理的时间内重建其电路。

即便如此，这项工作还是花了剑桥大学和约翰霍普金斯大学12年的时间。仅仅是成像每个神经元就花了大约一天的时间。剑桥大学的研究人员创建了大脑的高分辨率图像，并手动研究它们以找到单个神经元，严格追踪每个神经元，连接它们的突触连接。

研究人员用纳米级分辨率电子显微镜对一只6小时大的果蝇幼虫的大脑进行了图像捕获，花费了一年半的时间。

然后，他们利用计算机辅助程序，精确定位神经元和突触，并花费数月时间进行手动检查。研究人员鉴定了3,016个神经元，其中93％与另一侧大脑半球的配对神经元相对应。大多数未配对的神经元是关键神经元Kenyon cells，位于学习和记忆中心。该团队还发现，41％的脑神经元形成“回路”，为其上游合作伙伴提供反馈。研究人员表示，这些简化路径和回路类似于正在人工智能研究中使用的最先进的人工神经网络。

研究意义

现在，这个团队公布的黑腹果蝇幼虫的连接组是迄今为止最完整、最广泛的整个昆虫大脑图谱。它包括3016个神经元以及它们之间的每一个连接共548,000个。

研究人员称：“50年过去了，这是第一个大脑连接组。这是一面旗帜，一切都是为了这个目的。”

参考资料：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add9330

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。