科学家完成昆虫大脑的第一张地图

发布时间：2023-03-10 20:26:38 栏目：生活

导读 研究人员已经完成了迄今为止最先进的大脑图谱，即昆虫的大脑图谱，这是神经科学的一个里程碑式的成就，使科学家更接近对思维机制的真正理解

研究人员已经完成了迄今为止最先进的大脑图谱，即昆虫的大脑图谱，这是神经科学的一个里程碑式的成就，使科学家更接近对思维机制的真正理解。



由约翰霍普金斯大学和剑桥大学领导的国际团队制作了一个令人叹为观止的详细图表，追踪幼虫果蝇大脑中的每个神经连接，这是一个典型的科学模型，其大脑与人类相当。

这项工作可能支持未来的大脑研究，并激发新的机器学习架构，今天发表在《科学》杂志上。

“如果我们想了解我们是谁以及我们如何思考，其中一部分就是理解思维机制，”资深作者Joshua T. Vogelstein说，他是约翰霍普金斯大学的生物医学工程师，专门从事数据驱动的项目，包括连接组学，神经系统连接的研究。“关键是知道神经元如何相互连接。

第一次尝试绘制大脑地图——始于14年代的对蛔虫进行了为期1970年的研究，结果是部分地图和诺贝尔奖。从那时起，部分连接体已经在许多系统中绘制，包括苍蝇，小鼠，甚至人类，但这些重建通常只代表整个大脑的一小部分。只有几种小物种产生了全面的连接体，它们的体内有几百到几千个神经元——蛔虫、幼虫海鞘和幼虫海洋鞘虫。

该团队的幼果蝇Drosophila melanogaster幼虫的连接组是有史以来完成的整个昆虫大脑的最完整，也是最广泛的地图。它包括3，016个神经元以及它们之间的每个连接：548，000。

“已经有50年了，这是第一个大脑连接组。这是我们可以做到这一点的沙子上的一面旗帜，“Vogelstein说。“一切都在努力。”

绘制整个大脑图谱既困难又非常耗时，即使使用最好的现代技术也是如此。获得大脑的完整细胞水平图像需要将大脑切成数百或数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，然后才能将所有这些片段(神经元)重建为完整，准确的大脑肖像。用小果蝇花了十多年的时间才做到这一点。据估计，老鼠的大脑比小果蝇的大脑大一百万倍，这意味着在不久的将来不太可能绘制出接近人类大脑的任何东西，甚至可能在我们的有生之年都没有。

该团队特意选择了果蝇幼虫，因为对于昆虫来说，该物种与人类共享其大部分基本生物学，包括可比的遗传基础。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。出于实际目的，可以在合理的时间范围内对其相对紧凑的大脑进行成像并重建其电路。

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。仅成像就每个神经元花费了大约一天的时间。

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，该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接性。约翰霍普金斯大学的研究小组开发了基于共享连接模式找到神经元组的技术，然后分析了信息如何在大脑中传播。

最后，整个团队绘制了每个神经元和每个连接，并根据每个神经元在大脑中的作用对其进行分类。他们发现，大脑最繁忙的回路是那些导致和远离学习中心神经元的回路。

约翰霍普金斯大学开发的方法适用于任何大脑连接项目，他们的代码可供任何试图绘制更大动物大脑的人使用，Vogelstein说，并补充说，尽管存在挑战，科学家们有望在未来十年内接受老鼠。其他团队已经在绘制成年果蝇大脑的地图。共同第一作者，约翰霍普金斯大学生物医学工程博士候选人Benjamin Pedigo希望该团队的代码可以帮助揭示成人和幼虫大脑连接之间的重要比较。随着更多幼虫和其他相关物种的连接体产生，Pedigo希望他们的分析技术可以更好地理解大脑布线的变化。

果蝇幼虫的工作显示出电路特征，令人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，并可能激发新的人工智能系统。

“我们对果蝇代码的了解将对人类的代码产生影响，”Vogelstein说。“这就是我们想要理解的——如何编写一个导致人脑网络的程序。