迄今為止最完整的果蠅幼蟲全腦神經(jīng)元連接組圖譜——“大腦地圖”，或?qū)椭藗兏玫乩斫獯竽X“布線”的方式和變化，揭示更多的計(jì)算原理。

3月10日，迄今為止最完整的果蠅幼蟲全腦神經(jīng)元連接組圖譜——“大腦地圖”在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）雜志上。這一研究成果將支持未來的腦科學(xué)研究，并啟發(fā)人們設(shè)計(jì)出新一代人工智能系統(tǒng)。

3月7日，該論文通訊作者之一、英國劍橋大學(xué)教授阿爾伯特·卡爾多納（Albert Cardona）告訴澎湃科技，“這為未來了解大腦如何在疾病和演化中變化的研究奠定了基礎(chǔ)。”

阿爾伯特·卡爾多納表示，一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)是，其大腦強(qiáng)大的計(jì)算能力不僅來自于一個(gè)神經(jīng)元層與下一個(gè)神經(jīng)元層之間的連接，而且來自于跨層的連接。這種類型的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，可以最大限度地減少所需的神經(jīng)元數(shù)量，減少新陳代謝成本，而不影響計(jì)算能力。

阿爾伯特·卡爾多納稱，“在這些關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)中，我想說的是，我們發(fā)現(xiàn)大腦有多么強(qiáng)烈的遞歸性。這也是強(qiáng)大的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)?！弊罹哌f歸性的神經(jīng)結(jié)構(gòu)與大腦學(xué)習(xí)中心的輸入和輸出神經(jīng)元有關(guān)。

研究人員表示，隨著更多的幼蟲和其他相關(guān)物種的“大腦地圖”被繪制出來，人們將能更好地理解大腦“布線”的方式和變化，揭示更多的計(jì)算原理。

該論文另一位通訊作者、美國約翰·霍普金斯大學(xué)助理教授約書亞·沃格爾斯坦（Joshua T. Vogelstein ）向媒體表示，如何編寫一個(gè)人類大腦網(wǎng)絡(luò)的程序或代碼，“這是我們想要了解的?！?我們對果蠅'代碼’的了解，將對人類的'代碼’產(chǎn)生影響?！?/p>

12年努力，研究人員最終繪制出包含了3016個(gè)神經(jīng)元和548,000個(gè)突觸的果蠅幼蟲大腦神經(jīng)元連接組圖譜。

什么是“大腦地圖”？

人類大腦由各種不同類型的神經(jīng)元細(xì)胞組成，這些神經(jīng)元的軸突像森林中的藤蔓一樣縱橫交錯(cuò)，將信號傳遞到不同的腦區(qū)。而且，神經(jīng)元的投射模式與不同的腦功能密切相關(guān)。

因此，了解大腦的工作原理，需要深入研究大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和連接。繪制高分辨率的大腦神經(jīng)元連接圖譜，即所謂的“大腦地圖”，成為腦科學(xué)研究的必然選擇。

沃格爾斯坦表示，已經(jīng)過去50年了，這是果蠅的第一個(gè)全腦“地圖”?！八且粋€(gè)里程碑，證明我們能夠做到這一點(diǎn)。”

人類嘗試制作的第一個(gè)大腦“地圖”，是線蟲的，開始于1970年代，耗時(shí)長達(dá)14年。

自那以后，包括果蠅、小鼠，甚至人類大腦的部分連接圖譜陸續(xù)被繪制，但都僅代表了大腦的一小部分“地圖”。

最新發(fā)表的研究由來自美國約翰·霍普金斯大學(xué)和英國劍橋大學(xué)的研究人員合作完成。論文的標(biāo)題是《昆蟲大腦連接組》（The connectome of an insect brain）。

通過連續(xù)切片、成像和三維重建，研究人員最終繪制出包含了3016個(gè)神經(jīng)元和548,000個(gè)突觸的連接組圖譜。

如何繪制果蠅的“大腦地圖”？

阿爾伯特·卡爾多納向澎湃科技表示，他們在研究中遇到諸多困難。該研究項(xiàng)目開始于2010年，對黑腹果蠅幼蟲的完整中樞神經(jīng)系統(tǒng)的5000個(gè)連續(xù)的40納米厚的切片進(jìn)行預(yù)處理已經(jīng)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。因?yàn)槊總€(gè)切片都很脆弱，很容易丟失或損壞。在預(yù)處理后，以納米級的分辨率對它們進(jìn)行成像，需要3臺透射電子顯微鏡同時(shí)工作6個(gè)月，這是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在成功成像后，他們?nèi)匀恍枰獙资f個(gè)單獨(dú)的圖像對齊，以三維重建其所有神經(jīng)元和突觸，來繪制其整個(gè)大腦的所有“電路”。

研究團(tuán)隊(duì)特意選擇了果蠅幼蟲，因?yàn)閷τ诶ハx而言，這種物種與人類有許多基本生物學(xué)方面的共同之處，包括類似的遺傳基礎(chǔ)。它還具有豐富的學(xué)習(xí)和決策行為，使它成為神經(jīng)科學(xué)中一個(gè)有用的模式生物。

劍橋大學(xué)和約翰·霍普金斯大學(xué)的研究工作花費(fèi)了12年時(shí)間。僅成像一個(gè)神經(jīng)元就需要一整天時(shí)間。

劍橋大學(xué)的研究人員創(chuàng)建了高分辨率的大腦神經(jīng)元圖像，并研究這些圖像來找到每個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元，嚴(yán)格地追蹤每個(gè)神經(jīng)元的突觸連接。

從“蟲腦”到“人腦”

“（但這）僅僅是一個(gè)起點(diǎn)。然后，一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是分析大腦的'電路’。”阿爾伯特·卡爾多納稱。

研究人員希望通過分析果蠅神經(jīng)系統(tǒng)中的信息處理機(jī)制，啟發(fā)新的機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)，并啟發(fā)對人類大腦復(fù)雜功能的探索，未來嘗試開發(fā)一種能夠模擬人腦思維的計(jì)算機(jī)程序。

阿爾伯特·卡爾多納表示，在教科書中，神經(jīng)元在其樹突上整合輸入，然后通過其軸突向其他神經(jīng)元傳遞信號。但在現(xiàn)實(shí)生活中，對于所有動物物種的大腦來說，無論是脊椎動物還是無脊椎動物，軸突也會接受大量的輸入突觸，而樹突經(jīng)常呈現(xiàn)輸出突觸。這導(dǎo)致我們將所有的神經(jīng)元連接分成4種類型：典型的軸突-樹突突觸，然后是軸突-軸突，樹突-樹突，以及樹突-軸突。典型突觸的數(shù)量最多，樹枝-軸突觸的數(shù)量最少，它們所定義的“電路”的特征有明顯的不同。

約翰·霍普金斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)接收到劍橋大學(xué)的數(shù)據(jù)后，花費(fèi)了超過三年時(shí)間，使用自己創(chuàng)建的原始代碼來分析大腦神經(jīng)元的連接性，找到神經(jīng)元的群組，然后分析信息如何在其大腦中傳播。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這一大腦中最繁忙的電路是輸入和輸出學(xué)習(xí)中心的神經(jīng)元。

2022年11月28日，研究人員將上述論文上傳到預(yù)印本網(wǎng)站bioRxiv上公開，三個(gè)多月被《自然》期刊在線發(fā)表。

人類大腦有著上千億個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞，彼此之間聯(lián)結(jié)形成世界上最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，我們所有的認(rèn)知、情緒、決策等都有賴于這一網(wǎng)絡(luò)。

中國“腦計(jì)劃”的領(lǐng)軍人物、中國科學(xué)院院士蒲慕明在一次演講中提到，腦科學(xué)研究的目標(biāo)很明確，就是要闡明腦功能的神經(jīng)基礎(chǔ)和工作原理，理解大腦是如何工作的；同時(shí)，也希望從大腦的研究當(dāng)中得到一些啟發(fā)，能夠模擬大腦，得到更高的智能人工器件，包括智能機(jī)器人。