霍华德休斯医学研究所珍妮莉亚研究园区牵头的团队,与Google Research及国际合作者共同发布了成年雄性果蝇大脑和中枢神经系统的完整线路图。该资源包含166391个神经元和约1.25亿个突触连接。Google Research以及发表于Cell的研究指出,若按神经元数量计算,这是迄今规模最大的完整脑图谱。它为研究人员提供了一套可以检验和重复使用的神经结构参考。
这种图谱称为连接组,记录神经元的三维形态以及细胞相互通信所依靠的突触。范围包括中央脑、视叶和腹神经索;腹神经索在昆虫中的作用类似脊椎动物的脊髓。完整覆盖使科学家能够追踪嗅觉、视觉和听觉信息如何经过大脑,最后抵达控制行走、飞行及其他动作的回路,也把感觉输入与运动输出放在同一数据框架中。
研究人员利用多年间取得的超高分辨率电子显微镜图像建立数据集。Google Research的算法把数百万张二维图像拼接起来,并生成最初的三维神经元重建结果;珍妮莉亚的专家随后逐项检查和修正。团队表示,人工智能与大规模人工校对缺一不可,因为神经元形态极其复杂,自动分割系统可能错误地合并不同细胞,也可能把同一个细胞拆开。
雄性连接组现在可以与此前完成的雌性图谱直接比较。研究人员报告,雄性脑中4.8%的神经元和雌性脑中2.4%的神经元属于各自性别特有的细胞类型,另有一部分雄性神经元形成了不同的连接。差异主要集中在较高级的信息处理回路。这为检验求偶、攻击以及其他性别相关行为提供了具体路径,但并不意味着两套神经系统在整体上截然不同。
果蝇生命周期短、行为容易重复,而且许多生物机制与其他动物相通,因此长期以来一直是遗传学和神经科学的重要模式生物。科学家目前还无法以相同分辨率绘制人脑全部860亿个神经元。较小的神经系统因而提供了一种切实可行的办法,用来检验神经线路怎样产生感知、决策和行动;公开资源也能帮助实验室先找出候选回路,再开展有针对性的活体实验。
团队已通过在线浏览和下载工具公开图像、重建模型、注释及连接数据。这张图谱是结构参照,并非思想记录,也不是对行为的完整解释;由其提出的预测仍须在活果蝇实验中验证。近期用途包括比较不同个体和不同性别,把特定回路与行为联系起来,并改进脑图谱制作方法。未来这些方法有望扩大到神经系统更复杂、体型更大的动物,但这种扩展仍面临成像、计算和人工核验方面的挑战。
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