人体艺术照 探索大脑的新里程碑！《当然》封面专题：9篇论文初次绘画果蝇的完好大脑图谱

▎药明康德本色团队剪辑人体艺术照

今天，咱们对大脑的毅力插足了全新阶段！《当然》封面专题通过9篇论文展示了首个果蝇大脑的完好齐集组。这张包含了14万个神经元以及杰出5000万个突触的图谱，让东谈主们能往日所未有的视角盘问大脑功能，并为绘画其他物种的大脑图谱奠定了基础。

▲最新一期《当然》杂志封面（图片泉源：Nature）

咱们日常的一切行动与嗅觉都离不开大脑的行动模式，而大脑的行动模式又取决于神经元的齐集面貌。咱们知谈，神经元通过突触连结，突触使得神经元放电或是增强，或是阻挠其他神经元的放电。要念念深化相识大脑的职责旨趣，绘画大脑的统共神经元及齐集，也便是创建所谓的“齐集组”至关费事。齐集组提供的不仅是任性单个神经元的精服气息，还有大脑回路组织面貌的全局视角。

此前，科学家们也曾绘画了线虫、海洋蠕虫幼虫以及海鞘幼虫的完好神经齐集组，这些物种的齐集组中包括了几百个神经元，关联词并莫得雷同哺乳动物和东谈主类大脑同样的脑半球结构，还难以称得上大脑图谱。

果蝇是生物医学盘问中常用的模式生物，它们大脑中的神经元数目唯一东谈主类大脑的百万分之一，但却能施展出导航、学习、决策等一系列复杂行动。果蝇分享了60%的东谈主类DNA，四分之三的东谈主类遗传病在果蝇中对应，因此果蝇成为了绘画神经回路完好齐集组的理念念起先。2023年的一篇《科学》论文就绘画了果蝇幼虫的大脑齐集组，包括了其中3016个神经元，齐集数杰出54万个。但比拟之下，成年果蝇的大脑要复杂几个数目级。

▲成年果蝇大脑中有近14万个脑细胞，它们通过杰出 5000 万个突触齐集连结。（图片泉源：普林斯顿大学，FlyWire定约的Tyler Sloan；参考贵寓[1]）

为了重建果蝇大脑的完好齐集组，寰球76个推行室共同蛊卦了FlyWire定约表情。该表情运用高差异率电子显微镜扫描了果蝇大脑切片，何况运用其蛊卦的精准对王人图像体式，通过东谈主工智能自动重建神经元，并由宇宙各地盘问东谈主员与志愿者构成的团队进行东谈主工数据校对。随后，FlyWire定约整合了来自不同盘问的数据，以识别突触并详情各个突触是昂扬性照旧阻挠性的。

最终，在该专题的一篇旗舰论文中，由普林斯顿大学结合的FlyWire团队初次绘画了果蝇完好的齐集组，其中包含了14万个神经元以及杰出5000万个突触。“东谈主工智能商量的跳动使得绘画统共这个词大脑成为可能，这是AI激动神经科学发展的展示。”论文共同通信作家，普林斯顿大学的Sebastian Seung教悔暗示。

▲果蝇齐集组包含闲居的信息，从细胞类型和突触到神经递质与收罗属性。（图片泉源：普林斯顿大学，FlyWire定约的Amy Sterling和Julia Kuhl；参考贵寓[1]）

字据这份齐集图谱，盘问团队诠释了对突触通路的跟踪，以及从输入（嗅觉和上行神经元）到输出（畅通、内分泌和下行神经元）的信息流动分析，这些信息流动横跨两个半球。论文指出，这项盘问的本事和洞开生态系统为将来在其他物种中进行的大限制齐集组表情奠定了基础。

为了相识这个齐集组，第二篇论文为神经元类别、细胞类型和功能组提供了密致。

盘问团队为每个神经元分派了一组与其形态和发育发源连络的标签。这项职责的要点是将每个神经元归类至一个“细胞类型”，也便是一组具有相似形态和齐集的神经元，代表神经责罚的功能单位。由此，这项盘问坚定了杰出8400种细胞类型，其中4581种是全新的细胞类型，它们主要来自先前盘问的半脑除外的大脑区域。这张神经元图谱是首个完好的果蝇大脑“零件清单”，何况可能是已知最大的细胞类型图谱。

论文指出，这项职责为果蝇大脑界说了一致的细胞类型图谱，并为全脑限制的比较齐集组学提供了学问框架和开源器用链。

性生活

▲果蝇大脑齐集组中 50 个最大的神经元（图片泉源：普林斯顿大学，FlyWire定约的Tyler Sloan和Amy Sterling；参考贵寓[1]）

《当然》专题的其余7篇论文，展示了对最新齐集组也曾细胞类型图谱的进一步应用。

其中，论文“Neuronal parts list and wiring diagram for a visual system” 通过分析果蝇齐集组，旨在完成视叶固有细胞类型的列表，以及明确适度其齐集的轨则。盘问发现大多数新细胞类型包含10到100个细胞，并在视线中整合中等距离的信息。盘问还揭示了三种跨神经网类型眷属，并运用齐集性来推测细胞类型在畅通、物体和神色视觉中的功能作用。这些发现展示了齐集组细胞分类的上风。

论文“Network statistics of the whole-brain connectome of Drosophila”对齐集组进行了统计分析，从而识别具有齐集性的神经元。盘问发现果蝇大脑中具有多量高度齐集的神经元，占齐集组的30%。盘问详情了可能行动信号“整合器”或“播送器”的神经元亚群，其中“整合器”接收多量信号输入，标明其整合了不同类型的信息；“播送器”的多量输出标明它们可能闲居传输信号，以调和不同回路的行动。

论文“Neural circuit mechanisms underlying context-specific halting in Drosophila” 使用齐集组来识别导致果蝇罢手行走的神经回路，讲明了果蝇罢手行走的两种基本机制。第一种机制（“walk-OFF”）依赖于阻挠特定下落行走号令的GABA能神经元，而第二种机制（“brake”）依赖于昂扬性胆碱能神经元，它们不错导致果蝇主动罢手步行。盘问发现，在两种行动环境中，果蝇以互斥的面貌使用不同的罢手机制：在进食时辰使用“walk-OFF”机制来罢手，而“brake”机制用于在梳理时辰罢手和保抓踏实。

论文“A Drosophila computational brain model reveals sensorimotor processing”使用齐集组创建了一个商量模子，来模拟全脑范围内进食和梳理行动的神经回路特质。作家要点盘问了味觉责罚的阶梯，并通过推行考研了该模子的164个展望，发现其准确率杰出90%，标明基于齐集组的模拟不错知悉大脑功能。

论文“Connectomic reconstruction predicts visual features used for navigation” 使用电子显微镜数据重建了前视路中的统共神经元。前视路由4个神经纤维网构成，其通过3类主要的神经元按序齐集。这项盘问对其中部分心经元进行了进一步的亚型归类，并推断出潜在的视觉特征。这些信息为相识果蝇的导航系统若何编码、整合视觉信息奠定了基础。

而在论文“The fly connectome reveals a path to the effectome”中，为了得回果蝇神经系统的因果模子，盘问团队提议了一种用于果蝇大脑线性能源学模子的算计器，该模子使用随即光遗传学扰动数据来算计因果效应，并使用齐集组来普及算计收尾。运用该器用，盘问发现主导回路仅触及较少的神经元群体，其全脑动态是由多量互相落寞运作的小回路产生的，这意味着在果蝇中得回大脑的因果模子是可行的。

临了一篇分析论文“Predicting visual function by interpreting a neuronal wiring diagram”在果蝇视叶中，展示了运用神经元接线图展望功能的新体式。

综上，这项职责界说了脑科学畛域的全新里程碑，让东谈主们得以盘问大脑功能若何由大脑回路结构决定，为神经科学盘问提供了难得的资源。此外，作家记忆谈，用于构建果蝇大脑齐集组的体式为将来其他物种的大限制齐集组表情奠定了费事基础。

东谈主类特有的大脑让咱们领有了轶群的贤惠，但咱们对这枚器官仍然了解有限。

咱们的贤惠从何而来？关于大脑结构与功能，咱们有了哪些新融会？ 咱们在生涯中作念什么，不错让大脑更健康？

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参考贵寓：

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[8] Pospisil， D.A.， Aragon， M.J.， Dorkenwald， S. et al. The fly connectome reveals a path to the effectome. Nature 634， 201–209 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07982-0

[9] Seung， H.S. Predicting visual function by interpreting a neuronal wiring diagram. Nature 634， 113–123 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07953-5

[10] Anita V. Devineni， A complete wiring diagram of the fruit-fly brain. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/d41586-024-03029-6

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