【特稿】里程碑！研究人员绘制出成年果蝇完整“脑图谱”

里程碑！研究人员绘制出成年果蝇完整“脑图谱”

王鑫方

一个国际研究团队2日在知名科学期刊《自然》上发表一组共9篇论文，介绍他们绘制出的成年果蝇完整“脑图谱”，即包含脑部所有神经元及其连接状况的线路图。研究人员称这是迄今所有生物中最完整的“脑图谱”，堪称神经生物学研究的一个里程碑。

研究牵头人之一、美国普林斯顿大学神经科学家玛拉·穆尔蒂说，果蝇是“神经科学的一个重要模型系统。它们的大脑解决了许多和人类一样的问题”，比如行走、记忆、导航、进食，甚至社会互动。因此，对果蝇大脑的研究具有重要意义。

“我们正在解决的一个主要问题是，大脑中的线路、神经元及其连接如何激发动物行为。”穆尔蒂说。

研究团队历时4年多，绘制出一只成年雌性果蝇脑部的完整连接组，包含超过13.9万个神经元和5450多万个突触。突触是神经元之间或神经元与其他细胞连接的“接头”，信息通过突触在细胞之间传递。

在对神经元进行标记分类的过程中，研究人员发现了8453种神经元，这一数字远超预期。其中，4581种是新发现的，可提供大量新的研究方向。

另外，不同细胞相互连接的一些方式也令研究人员感到惊讶。比如，那些被认为只参与一种感觉线路的神经元往往会接收来自多种感官的线索，比如视觉通路的神经元会接受来自听觉和触觉通路的信号。

英国《卫报》介绍，这些纵横交错的神经元如果一一解开，连起来足有150米长，其绘制过程极其复杂和艰辛。

研究人员将不到1毫米宽的果蝇大脑切成7000条薄片，每条薄片在电子显微镜下显示出的结构小到仅有大约百万分之四毫米宽。他们借助人工智能工具分析了数百万张图像，追踪每个神经元和突触连接的路径。然而，在这个过程中，人工智能犯了很多错误。研究团队在全球范围内招募志愿者，耗费大量时间来人工校对数据，一一纠正错误，最终绘制完成图谱。

研究人员依据这份“脑图谱”，从多方面展开研究。《自然》刊载的一篇论文显示，他们创建了整个果蝇大脑的计算机模型，包括所有神经元之间的所有连接，通过激活其中一些神经元来测试可能引起的反应，然后在真正的果蝇大脑中激活相同神经元，予以验证。结果显示，在预测哪些神经元会做出反应并引发果蝇做出哪些动作方面，模型的准确率超过90%。还有一篇论文分析了果蝇行走背后的大脑回路，研究它如何停下来等。

研究另一名牵头人、普林斯顿大学神经科学与计算机科学教授承现峻认为，作为神经科学的新兴分支，连接组学开启了“神经科学数字化转型”，这种转型将扩展到大脑模拟，从而推动神经科学研究加速发展。

科学家们希望，这一研究成果可为绘制其他物种、包括人类的“脑图谱”铺路。

据《卫报》报道，绘制老鼠大脑完整“脑图谱”的工作已经开始，研究人员希望在5年至10年内完成。

至于人类“脑图谱”，以现有技术尚无法绘制出完整连接组。因为人类大脑拥有860亿个神经元和数以万亿计的连接，复杂程度大约是果蝇大脑的100万倍，仅从存储数据上看，研究人员估计相关数据量将达到1泽字节，相当于全球1年的互联网流量。

一种更现实的方法是绘制人类大脑部分区域的神经线路图，这可能有助于弄清“错误连接”是否为罹患神经精神疾病和其他脑部疾病的原因。（完）（新华社专特稿）