【特稿】里程碑！研究人員繪製出成年果蠅完整“腦圖譜”

里程碑！研究人員繪製出成年果蠅完整“腦圖譜”

王鑫方

一個國際研究團隊2日在知名科學期刊《自然》上發表一組共9篇論文，介紹他們繪製出的成年果蠅完整“腦圖譜”，即包含腦部所有神經元及其連接狀況的線路圖。研究人員稱這是迄今所有生物中最完整的“腦圖譜”，堪稱神經生物學研究的一個里程碑。

研究牽頭人之一、美國普林斯頓大學神經科學家瑪拉·穆爾蒂說，果蠅是“神經科學的一個重要模型系統。它們的大腦解決了許多和人類一樣的問題”，比如行走、記憶、導航、進食，甚至社會互動。因此，對果蠅大腦的研究具有重要意義。

“我們正在解決的一個主要問題是，大腦中的線路、神經元及其連接如何激發動物行爲。”穆爾蒂說。

研究團隊歷時4年多，繪製出一隻成年雌性果蠅腦部的完整連接組，包含超過13.9萬個神經元和5450多萬個突觸。突觸是神經元之間或神經元與其他細胞連接的“接頭”，信息通過突觸在細胞之間傳遞。

在對神經元進行標記分類的過程中，研究人員發現了8453種神經元，這一數字遠超預期。其中，4581種是新發現的，可提供大量新的研究方向。

另外，不同細胞相互連接的一些方式也令研究人員感到驚訝。比如，那些被認爲只參與一種感覺線路的神經元往往會接收來自多種感官的線索，比如視覺通路的神經元會接受來自聽覺和觸覺通路的信號。

英國《衛報》介紹，這些縱橫交錯的神經元如果一一解開，連起來足有150米長，其繪製過程極其複雜和艱辛。

研究人員將不到1毫米寬的果蠅大腦切成7000條薄片，每條薄片在電子顯微鏡下顯示出的結構小到僅有大約百萬分之四毫米寬。他們藉助人工智能工具分析了數百萬張圖像，追蹤每個神經元和突觸連接的路徑。然而，在這個過程中，人工智能犯了很多錯誤。研究團隊在全球範圍內招募志願者，耗費大量時間來人工校對數據，一一糾正錯誤，最終繪製完成圖譜。

研究人員依據這份“腦圖譜”，從多方面展開研究。《自然》刊載的一篇論文顯示，他們創建了整個果蠅大腦的計算機模型，包括所有神經元之間的所有連接，通過激活其中一些神經元來測試可能引起的反應，然後在真正的果蠅大腦中激活相同神經元，予以驗證。結果顯示，在預測哪些神經元會做出反應並引發果蠅做出哪些動作方面，模型的準確率超過90%。還有一篇論文分析了果蠅行走背後的大腦回路，研究它如何停下來等。

研究另一名牽頭人、普林斯頓大學神經科學與計算機科學教授承現峻認爲，作爲神經科學的新興分支，連接組學開啓了“神經科學數字化轉型”，這種轉型將擴展到大腦模擬，從而推動神經科學研究加速發展。

科學家們希望，這一研究成果可爲繪製其他物種、包括人類的“腦圖譜”鋪路。

據《衛報》報道，繪製老鼠大腦完整“腦圖譜”的工作已經開始，研究人員希望在5年至10年內完成。

至於人類“腦圖譜”，以現有技術尚無法繪製出完整連接組。因爲人類大腦擁有860億個神經元和數以萬億計的連接，複雜程度大約是果蠅大腦的100萬倍，僅從存儲數據上看，研究人員估計相關數據量將達到1澤字節，相當於全球1年的互聯網流量。

一種更現實的方法是繪製人類大腦部分區域的神經線路圖，這可能有助於弄清“錯誤連接”是否爲罹患神經精神疾病和其他腦部疾病的原因。（完）（新華社專特稿）