科学家完成了第一张昆虫大脑地图

研究人员已经完成了迄今为止最先进的昆虫脑图，这是神经科学领域的一个里程碑式的成就，它使科学家更接近于真正理解思维机制。

由约翰霍普金斯大学和剑桥大学领导的国际团队绘制了一幅令人惊叹的详细图表，描绘了果蝇幼虫大脑中的每一个神经连接，果蝇幼虫是一种具有与人类大脑相当的原型科学模型。

这项工作可能会支撑未来的大脑研究，并激发新的机器学习架构，今天发表在杂志上科学。

“如果我们想了解我们是谁以及我们是如何思考的，其中一部分就是了解思维的机制，”资深作者约书亚·t·沃格尔斯坦说，他是约翰·霍普金斯大学的生物医学工程师，专门从事数据驱动项目，包括神经系统连接的研究。“其中的关键是知道神经元是如何相互连接的。”

大脑图谱的第一次尝试——从20世纪70年代开始对蛔虫进行长达14年的研究——绘制出了部分大脑图谱，并获得了诺贝尔奖。从那时起，部分连接体已经在许多系统中被绘制出来，包括苍蝇、老鼠，甚至人类，但这些重建通常只代表了整个大脑的一小部分。全面的连接体只在一些体内有几百到几千个神经元的小物种中产生，比如蛔虫、海鞘幼虫和海洋环节动物幼虫。

这个团队对果蝇幼虫的连接体是迄今为止最完整、最广泛的整个昆虫大脑地图。它包括3016个神经元以及它们之间的每一个连接:548,000个。

“50年过去了，这是第一个大脑连接体。这是我们可以做到的一面旗帜，”Vogelstein说。“一切都是为了这个目的。”

即使使用最好的现代技术，绘制整个大脑的图像也非常困难和耗时。要获得完整的大脑细胞水平的图像，需要将大脑切成成百上千个单独的组织样本，所有这些样本都必须用电子显微镜成像，然后才能艰苦地将所有这些碎片一个神经元一个神经元地重建成完整、准确的大脑肖像。研究人员花了十多年时间来研究果蝇宝宝。据估计，老鼠的大脑比一只小果蝇的大脑大100万倍，这意味着在不久的将来，绘制与人类大脑相似的大脑图的机会不太可能，甚至在我们的有生之年都不太可能。

研究小组有意选择果蝇幼虫，因为作为一种昆虫，果蝇的许多基本生物学特征与人类相同，包括相似的遗传基础。它还具有丰富的学习和决策行为，使其成为神经科学中有用的模式生物。在实际应用中，它相对紧凑的大脑可以成像，并在合理的时间内重建其电路。

即便如此，这项工作还是花了剑桥大学和约翰霍普金斯大学12年的时间。单个神经元成像大约需要一天的时间。

剑桥大学的研究人员创建了大脑的高分辨率图像，并手动研究它们以找到单个神经元，严格追踪每个神经元并连接它们的突触连接。

剑桥大学将数据交给了约翰·霍普金斯大学，在那里，研究团队花了三年多的时间，使用他们创建的原始代码来分析大脑的连通性。约翰霍普金斯大学的研究小组开发了一种技术，可以根据共享的连接模式找到神经元群，然后分析信息如何在大脑中传播。

最后，整个团队绘制了每个神经元及其连接，并根据神经元在大脑中的作用对其进行了分类。他们发现大脑最繁忙的回路是那些通向和离开学习中心神经元的回路。

沃格尔斯坦说，约翰霍普金斯大学开发的方法适用于任何大脑连接项目，他们的代码可以提供给任何试图绘制更大动物大脑的人。他补充说，尽管面临挑战，科学家们有望在老鼠身上进行实验，可能在未来十年内。其他研究小组已经在绘制成年果蝇的大脑图谱。研究报告的第一作者之一、约翰霍普金斯大学生物医学工程博士候选人本杰明·珀利诺(Benjamin Pedigo)希望，该团队的代码可以帮助揭示成虫和幼虫大脑连接之间的重要比较。随着更多的幼虫和其他相关物种产生连接体，谱系期望他们的分析技术可以更好地理解大脑连接的变化。

果蝇幼虫的工作显示出的电路特征，令人惊人地联想到突出而强大的机器学习架构。该团队预计，继续研究将揭示更多的计算原理，并有可能激发新的人工智能系统。

“我们从代码中学到了什么果蝇将对人类的密码产生影响，”沃格尔斯坦说。“这就是我们想要了解的——如何编写一个适用于人类的程序大脑网络”。