果蠅可能不是最聰明的生物，但科學家仍然可以從它的大腦中學到很多東西。研究人員現在希望這樣做，因為他們有了一張新的地圖——迄今為止任何生物最完整的地圖——單個果蠅（黑腹果蠅）的大腦地圖。這張線路圖，或稱“連線體”，包括近 140,000 個神經元，捕捉了超過 5450 萬個突觸，這些突觸是神經細胞之間的連線。
西雅圖艾倫腦科學研究所的神經生物學家克萊·裡德說：“這是一件大事，”，他沒有參與該專案，但曾與該團隊的一名成員合作。“這是世界長期以來一直焦急等待的事情。”
該地圖在今天發表在《自然》雜誌上的關於資料的九篇論文的合集中進行了描述。其建立者是被稱為 FlyWire 的聯盟的一部分，該聯盟由新澤西州普林斯頓大學的神經科學家馬拉·默蒂和塞巴斯蒂安·承共同領導。
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漫長的道路
承和默蒂說，他們使用果蠅大腦切片的電子顯微鏡影像，開發 FlyWire 地圖已超過四年。研究人員和他們的同事藉助人工智慧 (AI) 工具，將資料拼接在一起，形成了大腦的完整地圖。
但這些工具並不完美，線路圖需要檢查錯誤。科學家們花費了大量時間手動校對資料——時間之多，以至於他們邀請志願者來幫忙。劍橋大學神經科學家、合著者格雷戈裡·傑弗里斯表示，總共有聯盟成員和志願者進行了超過 300 萬次手動編輯。（他指出，這項工作大部分發生在 2020 年，當時果蠅研究人員在 COVID-19 大流行期間賦閒在家，在家工作。）
但工作還沒有完成：地圖仍然需要註釋，在這個過程中，研究人員和志願者將每個神經元標記為特定的細胞型別。傑弗里斯將這項任務比作評估衛星影像：人工智慧軟體可能會被訓練來識別此類影像中的湖泊或道路，但人類將不得不檢查結果並命名特定的湖泊或道路本身。總而言之，研究人員識別出 8,453 種神經元——遠超出了任何人的預期。其中，有 4,581 種是新發現的，這將開闢新的研究方向，承說。“每一種細胞型別都是一個問題，”他補充道。
該團隊對各種細胞相互連線的一些方式也感到驚訝。例如，原本認為僅參與一種感覺線路（例如視覺通路）的神經元，往往會接收來自多種感官的線索，包括聽覺和觸覺1。“大腦的互連程度令人震驚，”默蒂說。
探索地圖
FlyWire 地圖資料在過去幾年中一直可供研究人員探索。這使科學家能夠更多地瞭解大腦和果蠅——這些發現被收錄在今天發表在《自然》雜誌上的一些論文中。
例如，在一篇論文中，研究人員使用連線體建立了整個果蠅大腦的計算機模型，包括神經元之間的所有連線。他們透過啟用他們知道可以感知甜味或苦味的神經元來測試它。然後，這些神經元在虛擬果蠅的大腦中引發了一連串的訊號，最終觸發了與果蠅喙（相當於哺乳動物的舌頭）相連的運動神經元。當甜味迴路被啟用時，會傳遞一個伸出喙的訊號，就好像昆蟲正準備進食一樣；當苦味迴路被啟用時，該訊號被抑制。為了驗證這些發現，該團隊在真正的果蠅中激活了相同的神經元。研究人員瞭解到，該模擬在預測哪些神經元會做出反應以及果蠅的行為方式方面，準確率超過 90%。
在另一項研究中，研究人員描述了兩個線路，它們發出訊號指示果蠅停止行走。其中一個包含兩個神經元，這兩個神經元負責在果蠅想要停止進食時停止從大腦傳送的“行走”訊號。另一個線路包括神經索中的神經元，神經索接收和處理來自大腦的訊號。這些細胞在果蠅的腿關節中產生阻力，使昆蟲在梳理自己時能夠停下來。
新連線體的一個侷限性是，它是從單個雌性果蠅建立的。儘管果蠅的大腦彼此相似，但它們並非完全相同。到目前為止，最完整的果蠅大腦連線體是“半腦”地圖——果蠅大腦的一部分，包含約 25,000 個神經元。在今天發表的《自然》雜誌論文之一中，傑弗里斯、佛蒙特大學伯靈頓分校的神經生物學家戴維·博克和他們的同事將 FlyWire 大腦與半腦進行了比較。
一些差異非常顯著。與半腦繪圖專案中使用的果蠅相比，FlyWire 果蠅在一個名為蘑菇體的腦結構中（該結構參與嗅覺）的神經元數量幾乎是後者的兩倍。博克認為，這種差異可能是因為半腦果蠅在仍在生長時可能已經餓死了，這損害了它的大腦發育。
FlyWire 研究人員表示，要充分了解果蠅大腦，還有很多工作要做。例如，最新的連線體僅顯示神經元如何透過化學突觸連線，神經遞質分子透過化學突觸傳遞資訊。它沒有提供任何關於神經元之間電連線的資訊，也沒有提供關於神經元如何在突觸外進行化學交流的資訊。默蒂希望最終也能擁有雄性果蠅的連線體，這將使研究人員能夠研究雄性特有的行為，例如唱歌。“我們還沒有完成，但這邁出了一大步，”博克說。
本文經許可轉載，並於 2024 年 10 月 2 日首次發表。