蒼蠅大腦50個(gè)最大神經(jīng)連接的綜合圖。
研究人員繪制了果蠅大腦中近14萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元的圖譜。這個(gè)版本顯示了50個(gè)最大的。鳴謝:普林斯頓大學(xué)FlyWire的泰勒·斯隆和艾米·斯特林。1)
果蠅可能不是最聰明的生物，但科學(xué)家仍然可以從它的大腦中學(xué)到很多東西。研究人員希望這樣做，因?yàn)樗麄冇辛艘粡埿碌膯蝹€(gè)果蠅(果蠅)大腦的地圖，這是迄今為止所有生物中最完整的。線(xiàn)路圖或“連接體”包括近14萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，捕獲了超過(guò)5450萬(wàn)個(gè)突觸，這些突觸是神經(jīng)細(xì)胞之間的連接。
“這是一件大事，”華盛頓西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所的神經(jīng)生物學(xué)家Clay Reid說(shuō)，他沒(méi)有參與該項(xiàng)目，但曾與該項(xiàng)目的一名成員合作過(guò)。"這是全世界長(zhǎng)期以來(lái)一直在焦急等待的事情。"
《自然》雜志今天發(fā)表了9篇關(guān)于數(shù)據(jù)的論文，其中描述了地圖1。它的創(chuàng)造者是一個(gè)名為FlyWire的聯(lián)盟的一部分，該聯(lián)盟由新澤西州普林斯頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家Mala Murthy和Sebastian Seung共同領(lǐng)導(dǎo)。
漫長(zhǎng)的道路
Seung和Murthy說(shuō)，他們已經(jīng)使用蒼蠅大腦切片的電子顯微鏡圖像繪制了四年多的FlyWire地圖。研究人員和他們的同事在人工智能(AI)工具的幫助下，將數(shù)據(jù)拼接在一起，形成了完整的大腦地圖。
但是這些工具并不完美，而且需要檢查線(xiàn)路圖中的錯(cuò)誤?？茖W(xué)家們花了大量時(shí)間手動(dòng)校對(duì)數(shù)據(jù)——時(shí)間太長(zhǎng)了，以至于他們邀請(qǐng)志愿者來(lái)幫忙。根據(jù)英國(guó)劍橋大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家Gregory Jefferis的說(shuō)法，聯(lián)盟成員和志愿者總共進(jìn)行了超過(guò)300萬(wàn)次人工編輯。(他指出，這項(xiàng)工作大部分發(fā)生在2020年，當(dāng)時(shí)蒼蠅研究人員在新冠肺炎疫情期間無(wú)所事事，在家工作。)
但是這項(xiàng)工作還沒(méi)有完成:圖譜還需要被注釋?zhuān)谶@個(gè)過(guò)程中，研究人員和志愿者將每個(gè)神經(jīng)元標(biāo)記為一種特定的細(xì)胞類(lèi)型。Jefferis將這項(xiàng)任務(wù)比作評(píng)估衛(wèi)星圖像:人工智能軟件可能會(huì)被訓(xùn)練識(shí)別這些圖像中的湖泊或道路，但人類(lèi)必須檢查結(jié)果，并自己命名特定的湖泊或道路?？傊?，研究人員確定了8453種類(lèi)型的神經(jīng)元——比任何人預(yù)期的都多。Seung說(shuō)，其中4581個(gè)是新發(fā)現(xiàn)的，這將創(chuàng)造新的研究方向。“每一種細(xì)胞類(lèi)型都是一個(gè)問(wèn)題，”他補(bǔ)充道。
該小組還對(duì)不同細(xì)胞之間的一些連接方式感到驚訝。例如，被認(rèn)為只參與一種感覺(jué)神經(jīng)回路(如視覺(jué)通路)的神經(jīng)元傾向于接收來(lái)自多種感覺(jué)的線(xiàn)索，包括聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)。“大腦的互聯(lián)程度令人震驚，”Murthy說(shuō)。
探索地圖
在過(guò)去的幾年里，F(xiàn)lyWire地圖數(shù)據(jù)可供研究人員探索。這使得科學(xué)家們對(duì)大腦和果蠅有了更多的了解——這些發(fā)現(xiàn)被收錄在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一些論文中。

例如，在一篇論文中，研究人員使用連接體創(chuàng)建了一個(gè)完整果蠅大腦的計(jì)算機(jī)模型，包括神經(jīng)元之間的所有連接。他們通過(guò)激活感知甜味或苦味的神經(jīng)元進(jìn)行測(cè)試。然后，這些神經(jīng)元通過(guò)虛擬蒼蠅的大腦發(fā)出一連串信號(hào)，最終觸發(fā)與蒼蠅的長(zhǎng)鼻相連的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元——相當(dāng)于哺乳動(dòng)物的舌頭。當(dāng)甜味回路被激活時(shí)，一個(gè)伸出長(zhǎng)鼻的信號(hào)被傳輸，好像昆蟲(chóng)正準(zhǔn)備進(jìn)食；當(dāng)苦回路被激活時(shí)，這個(gè)信號(hào)被抑制。為了驗(yàn)證這些發(fā)現(xiàn)，研究小組在一只真實(shí)的果蠅中激活了相同的神經(jīng)元。研究人員了解到，該模擬在預(yù)測(cè)哪些神經(jīng)元會(huì)做出反應(yīng)以及蒼蠅會(huì)如何表現(xiàn)方面的準(zhǔn)確率超過(guò)90%。
在另一項(xiàng)研究3中，研究人員描述了兩種向蒼蠅發(fā)出停止行走信號(hào)的線(xiàn)路。其中一個(gè)包含兩個(gè)神經(jīng)元，當(dāng)蒼蠅想停下來(lái)進(jìn)食時(shí)，它們負(fù)責(zé)阻止大腦發(fā)出的“行走”信號(hào)。另一個(gè)回路包括神經(jīng)索中的神經(jīng)元，它接收和處理來(lái)自大腦的信號(hào)。這些細(xì)胞在蒼蠅的腿部關(guān)節(jié)產(chǎn)生阻力，讓昆蟲(chóng)在梳理自己的時(shí)候停下來(lái)。
新連接體的一個(gè)局限是它是由一只雌性果蠅產(chǎn)生的。盡管果蠅的大腦彼此相似，但它們并不完全相同。到目前為止，果蠅大腦最完整的連接體是“半個(gè)大腦”的地圖，這是果蠅大腦的一部分，包含大約25，000個(gè)神經(jīng)元。在今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中，杰弗里斯、伯靈頓佛蒙特大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家達(dá)維·博克和他們的同事將蠅線(xiàn)腦與半腦進(jìn)行了比較。
一些差異是驚人的。與半腦繪圖項(xiàng)目中使用的蒼蠅相比，F(xiàn)lyWire蒼蠅的大腦結(jié)構(gòu)(稱(chēng)為蘑菇體，與嗅覺(jué)有關(guān))中的神經(jīng)元數(shù)量幾乎是后者的兩倍。博克認(rèn)為，這種差異可能是因?yàn)榘肽X蒼蠅可能在生長(zhǎng)過(guò)程中挨餓，這損害了它的大腦發(fā)育。
FlyWire的研究人員表示，要完全了解果蠅的大腦，還有很多工作要做。例如，最新的連接體只顯示了神經(jīng)元如何通過(guò)化學(xué)突觸連接，稱(chēng)為神經(jīng)遞質(zhì)的分子通過(guò)化學(xué)突觸發(fā)送信息。它沒(méi)有提供任何關(guān)于神經(jīng)元之間電連接或神經(jīng)元如何在突觸外進(jìn)行化學(xué)通信的信息。Murthy希望最終也有一個(gè)雄性果蠅連接體，這將允許研究人員研究雄性特有的行為，如唱歌?！拔覀冞€沒(méi)有完成，但這是一大步，”博克說(shuō)。
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閱讀相關(guān)新聞和觀點(diǎn):“果蠅大腦的完整接線(xiàn)圖”
此外，在這張巨大的新地圖上收聽(tīng)相關(guān)的自然播客。
參考
1.多肯瓦爾德，s .等人,《自然》634，124–138(2024)。
文章
谷歌學(xué)術(shù)
2.Shiu，P. K .等人,《自然》634，210–219(2024年)。
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3.《自然》634，191–200(2024)。
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4.施萊格爾等人，《自然》634，139–152頁(yè)(2024年)。
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谷歌學(xué)術(shù)