瑪爾塔·茲拉蒂克擁有可能是史上最乏味的電影收藏。這位神經科學家在弗吉尼亞州阿什本的珍妮莉亞研究園區內的實驗室中，儲存了超過 20,000 小時的黑白影片，影片的主角是果蠅 (Drosophila) 幼蟲。這些影片中的主角正在做一些平凡的蛆蟲行為，例如蠕動和爬行，但這些片段正在幫助解答現代神經科學中最大的問題之一：大腦的迴路如何產生行為。
這是整個領域的主要目標：弄清神經元如何連線，訊號如何在網路中傳遞，以及這些訊號如何協同工作來引導動物活動、做出決定，或在人類中表達情感和創造意識。
即使在最平淡的條件下——“正常光照；沒有感官線索；它們不餓”，茲拉蒂克說——她的果蠅幼蟲也可以做出 30 種不同的動作，包括縮回或轉動頭部，或翻滾。這些動作是由一個僅包含 15,000 個神經元的大腦產生的。與人類大腦中的 860 億個神經元相比，這簡直不值一提，這也是茲拉蒂克和她的團隊如此喜愛蛆蟲的原因之一。
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“目前，真的，果蠅幼蟲是最佳選擇，”茲拉蒂克的合作者和丈夫，同樣在珍妮莉亞工作的阿爾伯特·卡多納說。“如果你能得到佈線圖，你就有了一個極好的起點，可以瞭解中樞神經系統是如何工作的。”
茲拉蒂克和卡多納領導著全球數十個小組中的兩個，這些小組正在為模式生物的大腦生成詳細的佈線圖。用於切片大腦和追蹤其連線的新工具和技術加速了過去幾年的進展。由此產生的神經網路圖譜帶來了驚喜——例如，表明大腦可以使用一個網路以多種方式來產生相同的行為。
但是，即使理解最簡單的電路——比茲拉蒂克蛆蟲中的電路小几個數量級——也面臨著一系列挑戰。電路的佈局和功能因動物而異。這些系統具有冗餘性，使得難以將一種功能固定在一個電路上。此外，僅靠佈線並不能完全解釋電路如何產生行為；還需要考慮其他因素，例如神經化學物質。“我儘量避免使用‘理解’這個詞，”弗洛裡安·恩格特說，他正在哈佛大學（馬薩諸塞州劍橋市）繪製斑馬魚大腦圖譜。“當你說你理解某事物是如何運作的時，你到底是什麼意思？如果你繪製出它的圖譜，你並沒有真正理解任何東西。”
儘管如此，科學家們開始在簡單電路中檢測到可能在更復雜的大腦中執行的模式。“這就是我們希望的，”哈佛醫學院（馬薩諸塞州波士頓市）的神經科學家威利·託賓說：“我們可以遇到通用的原則，可以幫助我們理解更大的系統。”
電路訓練
科學家們擁有完整佈線圖的最簡單大腦是線蟲秀麗隱杆線蟲的大腦，它只有 300 多個神經元。它的連線組——每個神經連線的圖譜——於 20 世紀 80 年代1完成。但是，近距離觀察這些連線的實際運作情況一直很困難。一些神經科學家懷疑蠕蟲大腦的工作方式是否與更大的大腦相同。
這就是為什麼許多人，像茲拉蒂克一樣，依賴於生物實驗室的另一個無脊椎動物堡壘——果蠅。果蠅幼蟲足夠複雜，可以展示一些有趣的行為，但神經元數量又足夠少，使得電路圖譜繪製專案成為可能。此外，茲拉蒂克和她的同事擁有一系列技術，例如光遺傳學，其中使用光敏蛋白質來控制或監測果蠅進行活動時的神經元活動。
茲拉蒂克和卡多納正在開發收集果蠅幼蟲大腦高解析度橫截面影像的方法，並自動化從一個切片到另一個切片追蹤所有連線的費力過程。然後，透過將行為和活動模式與他們的圖譜進行匹配，團隊可以找出哪些電路有助於哪些行為。
例如，一個難題是大腦如何在兩個競爭動作之間做出選擇。去年，卡多納、茲拉蒂克和他們的團隊追蹤了當蛆蟲面對惱人的氣流時，允許它們在縮回頭部或將其彎曲離開之間做出選擇的電路2（同一只動物，被吹兩次氣，可能第一次選擇彎曲，第二次選擇縮回）。團隊確定了他們認為對氣流做出反應的神經元，並依次使用光遺傳學啟用它們。他們可以觀察到縮回電路受到抑制，而彎曲電路得到加強，所有這些都在幾毫秒內完成。然後，他們構建了一個計算模型，該模型可以預測幼蟲以特定方式受到刺激時的反應。
許多實驗室也在研究成年果蠅的連線組。整個大腦有 135,000 個神經元，對於完全重建來說太大了，因此科學家們正在研究神經系統較小的部分，他們可以在那裡一起研究佈線和活動。
例如，託賓研究的是果蠅大腦中幫助處理氣味的一小部分——稱為嗅小球的電路。果蠅大腦有 50 個這樣的嗅小球，每個嗅小球在一個不超過 20 微米寬的區域內容納幾十個神經元，每個嗅小球分為兩半，分別接收來自果蠅左右觸角的訊號。在託賓最新的研究3中，該研究於 5 月發表，他和他的團隊取出一個嗅小球，將其精細切片，並使用電子顯微鏡重建了特定型別的所有 50 個神經元的佈局，包括它們連線到哪些其他神經元以及連線強度。比較兩半揭示了細胞數量和佈線方面的一些顯著差異，即使電路的功能沒有改變。
託賓認為，電路的佈線正在補償發育的變數，這些變數導致兩半看起來略有不同。他說，這種穩健性很可能是所有大腦的普遍特徵，並且可能在某些疾病中喪失。“疾病是系統無法補償的穩健性失敗，”他說。
恩格特專注於斑馬魚幼蟲 (Danio rerio) 的大腦，它大約有 100,000 個神經元。今年 5 月，他的團隊發表了4整個斑馬魚幼蟲大腦的重建，並使用它來觀察相似神經元在發育過程中延伸和連線時所採取的路徑。他們預計從大腦到脊髓的旅程中會存在一定程度的隨機性，因為在哺乳動物中，這種投射通常會變得混亂和隨意。但是他們調查的斑馬魚神經元成束地聚集在一起，並在動物的每一側採取映象路線。恩格特說，似乎對引導這些細胞很重要的事情是它們的遺傳程式。他說，這些佈線線索“比我們之前認為的要更加教條”。
一些團隊正在構建小鼠大腦區域的電路圖。例如，2014 年，由現在在新澤西州普林斯頓大學的塞巴斯蒂安·承領導的一個小組發表了小鼠視網膜中神經元及其連線的圖譜5。透過觀察神經元的形狀和它們建立的連線——例如，星形神經元比分支較少的神經元具有更多的突觸——該團隊可以推測細胞是如何傳遞訊號的。一些新繪製的細胞已知會以時間延遲向其他細胞傳送訊號，這可能解釋了眼睛如何傳輸有關運動物體的資訊。
交通堵塞
如果神經迴路可以教給我們一個教訓，那就是沒有哪個網路小到不會產生驚喜——或挫敗理解的嘗試。30 年來，布蘭迪斯大學（馬薩諸塞州沃爾瑟姆市）的神經科學家伊芙·馬德爾一直在研究螃蟹胃系統中的一個由 30 個神經元組成的簡單電路。它的作用很簡單，佈線圖也已經存在了幾十年。儘管如此，該電路仍然有謎團要解開。例如，馬德爾已經表明，儘管單個動物的電路可能看起來相同併產生相同的輸出，但它們的訊號強度和突觸的電導差異很大6。今天，她專注於電路如何在離子通道和受體被替換時保持其特性。“你使用什麼規則來替換所有元件，同時保持電路？”她問道，並補充說，所有這些挑戰也適用於更大的網路。“我們離知道如何應對從正在行為並執行復雜任務的動物那裡獲得的那種資訊還差得很遠。”
科學家們正在為應對這種局面做準備。這項工作需要幾種收集和分析資料的新方法，這些方法在過去五年左右的時間裡應運而生。茲拉蒂克的團隊與珍妮莉亞的其他團隊合作，微調了其光遺傳學工具。為了分析蛆蟲影片，茲拉蒂克招募了統計學家和計算機科學家，他們專門從事機器學習，以設計分類幼蟲運動的方法。
然後，在卡多納的實驗室中，科學家們致力於繪製幼蟲大腦圖譜，彙編了數千張用電子顯微鏡拍攝的大腦切片影像，並費力地追蹤神經元之間的連線。這張圖譜構成了他們其餘工作的基礎——繪製電路圖、操縱電路、觀察行為（參見“連線點”）。在第 175 頁，該團隊使用該協議揭示了果蠅大腦中稱為蘑菇體的電路如何透過將獎勵或懲罰的感覺與感官資訊聯絡起來來控制學習和記憶7。但是卡多納說，對映過程是目前該領域的一個主要障礙。為另一篇論文8重建果蠅氣味檢測電路的 160 個神經元部分花費了卡多納團隊 1,100 多個小時。一項估計9，從以前的果蠅工作推斷，表明完成成年果蠅大腦的完整圖譜將需要數百人年的時間。自動化該過程會有所幫助，但演算法可能會新增虛假的連線或完全遺漏某些連線。
圖片來源：Nik Spencer Nature
那些研究更大電路的人通常會分解問題——首先組裝細胞型別列表。華盛頓州西雅圖市艾倫腦科學研究所的小鼠大腦連線圖譜正在採用這種方法。在 2014 年發表的工作中，該團隊在小鼠視覺皮層中單獨識別出10 49 種細胞型別；這些細胞在大小和形狀、放電速度以及表達的基因方面各不相同。該團隊預計整個大腦的細胞型別將多出幾個數量級。“我猜最多可能有 10,000 種神經元型別，”在艾倫研究所研究圖譜的曾紅葵說。
當被問及估計繪製整個小鼠大腦圖譜所需的資料量時，曾紅葵先是笑了笑。然後她說：“這將是天文數字。我什至不知道是否有詞可以形容這個。它超出了拍位元組。拍位元組的拍位元組。”
如此龐大的資料量將僅由一隻動物的連線組生成，但許多科學家希望達到可以生成多個連線組並進行比較的程度。託賓認為，不同動物的佈線圖很可能顯示出重要——也許在功能上很有趣——的差異。到目前為止，“這還是一片 n = 1 的土地，”他說。
許多神經科學家的願望清單上的另一個優先事項是同時記錄大量神經元的活動。透過這種方式，研究人員可以刺激一個神經元，看看哪些其他神經元被啟用，然後建立起導致行為的指揮鏈的動態圖景。曾紅葵說，這將是“更復雜的大腦的下一個巨大挑戰”。
即使在馬德爾偏愛的 30 個細胞的電路中，這仍然是假設性的。馬德爾可以一次將電極插入少數細胞中。其他研究小型電路的人員使用各種技術來提供細胞何時放電的代理。例如，研究人員可以測量神經元放電後釋放的鈣，或觀察細胞膜上電壓變化引起的熒光。但這就像透過汽車產生的微風強度來測量汽車的速度：代理不如放電速率本身快。“目前，你可以記錄所有神經元的活動，但速度有點慢，每秒兩次，”茲拉蒂克說。“在這之間發生的事情你錯過了。”
更精確地掌握電路的動態可能有助於為醫學問題提供資訊。馬德爾花了 25 年的時間向學生講授腦網路，包括帕金森病專家繪製的那些腦網路。“我越盯著他們的電路圖，路徑就越連線。”她承認，如果治療有效，電路的細節並不重要，但它們可能有助於弄清為什麼藥物對某些人有效而對另一些人無效，或者什麼與成功相關。臨床證據表明，患有帕金森病的不同患者在某些大腦區域和迴路中具有不同的潛在異常11。
但是一些研究人員認為堅持臨床相關性是目光短淺的，他們認為電路圖譜繪製任務本身就很有價值。“對我來說，制定一個最終將在病床旁結束的研究計劃是很困難的，”恩格特談到他對斑馬魚的研究時說。
至少目前，許多研究人員滿足於接受手頭任務的令人眼花繚亂的複雜性。茲拉蒂克從她開始看到她的果蠅幼蟲中的神經元如何排列自身以及它們如何建立反饋迴路中獲得了一些安慰。她說，這種模組化安排可能會使團隊一旦完成圖譜繪製工作就會變得更容易。“當你擁有部分資訊時，它看起來像一團糟，”她說。“也許最令人驚訝的是，一旦你開始看到一個相對完整的系統，它就變得多麼有意義。”
本文經許可轉載，最初於2017 年 8 月 9 日首次發表。