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2024年10月2日
有史以来最大的脑图揭示了果蝇神经元的精致细节
线路图展示了近140，000个神经元之间的连接，并揭示了新类型的神经细胞。
萨拉·里尔登 
苍蝇大脑50个最大神经连接的综合图。
研究人员绘制了果蝇大脑中近14万个神经元的图谱。这个版本显示了50个最大的。鸣谢:普林斯顿大学FlyWire的泰勒·斯隆和艾米·斯特林。1)
果蝇可能不是最聪明的生物，但科学家仍然可以从它的大脑中学到很多东西。研究人员希望这样做，因为他们有了一张新的单个果蝇(果蝇)大脑的地图，这是迄今为止所有生物中最完整的。线路图或“连接体”包括近14万个神经元，捕获了超过5450万个突触，这些突触是神经细胞之间的连接。
“这是一件大事，”华盛顿西雅图艾伦脑科学研究所的神经生物学家Clay Reid说，他没有参与该项目，但曾与该项目的一名成员合作过。"这是全世界长期以来一直在焦急等待的事情。"
《自然》杂志今天发表了9篇关于数据的论文，其中描述了地图1。它的创造者是一个名为FlyWire的联盟的一部分，该联盟由新泽西州普林斯顿大学的神经科学家Mala Murthy和Sebastian Seung共同领导。
漫长的道路
Seung和Murthy说，他们已经使用苍蝇大脑切片的电子显微镜图像绘制了四年多的FlyWire地图。研究人员和他们的同事在人工智能(AI)工具的帮助下，将数据拼接在一起，形成了完整的大脑地图。
但是这些工具并不完美，而且需要检查线路图中的错误。科学家们花了大量时间手动校对数据——时间太长了，以至于他们邀请志愿者来帮忙。根据英国剑桥大学神经科学家Gregory Jefferis的说法，联盟成员和志愿者总共进行了超过300万次人工编辑。(他指出，这项工作大部分发生在2020年，当时苍蝇研究人员在新冠肺炎疫情期间无所事事，在家工作。)
但是这项工作还没有完成:图谱还需要被注释，在这个过程中，研究人员和志愿者将每个神经元标记为一种特定的细胞类型。Jefferis将这项任务比作评估卫星图像:人工智能软件可能会被训练识别这些图像中的湖泊或道路，但人类必须检查结果，并自己命名特定的湖泊或道路。总之，研究人员确定了8453种类型的神经元——比任何人预期的都多。Seung说，其中4581个是新发现的，这将创造新的研究方向。“每一种细胞类型都是一个问题，”他补充道。
该小组还对不同细胞之间的一些连接方式感到惊讶。例如，被认为只参与一种感觉神经回路(如视觉通路)的神经元倾向于接收来自多种感觉的线索，包括听觉和触觉。“大脑的互联程度令人震惊，”Murthy说。
探索地图
在过去的几年里，FlyWire地图数据可供研究人员探索。这使得科学家们对大脑和果蝇有了更多的了解——这些发现被收录在今天发表在《自然》杂志上的一些论文中。
例如，在一篇论文中，研究人员使用连接体创建了一个完整果蝇大脑的计算机模型，包括神经元之间的所有连接。他们通过激活感知甜味或苦味的神经元进行测试。然后，这些神经元通过虚拟苍蝇的大脑发出一连串信号，最终触发与苍蝇的长鼻相连的运动神经元——相当于哺乳动物的舌头。当甜味回路被激活时，一个伸出长鼻的信号被传输，好像昆虫正准备进食；当苦回路被激活时，这个信号被抑制。为了验证这些发现，研究小组在一只真实的果蝇中激活了相同的神经元。研究人员了解到，该模拟在预测哪些神经元会做出反应以及苍蝇会如何表现方面的准确率超过90%。
在另一项研究3中，研究人员描述了两种向苍蝇发出停止行走信号的线路。其中一个包含两个神经元，当苍蝇想停下来进食时，它们负责阻止大脑发出的“行走”信号。另一个回路包括神经索中的神经元，它接收和处理来自大脑的信号。这些细胞在苍蝇的腿部关节产生阻力，让昆虫在梳理自己的时候停下来。
新连接体的一个局限是它是由一只雌性果蝇产生的。尽管果蝇的大脑彼此相似，但它们并不完全相同。到目前为止，果蝇大脑最完整的连接体是“半个大脑”的地图，这是果蝇大脑的一部分，包含大约25，000个神经元。在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中，杰弗里斯、伯灵顿佛蒙特大学的神经生物学家达维·博克和他们的同事将蝇线脑与半脑进行了比较。
一些差异是惊人的。与半脑绘图项目中使用的苍蝇相比，FlyWire苍蝇的大脑结构(称为蘑菇体，与嗅觉有关)中的神经元数量几乎是后者的两倍。博克认为，这种差异可能是因为半脑苍蝇可能在生长过程中挨饿，这损害了它的大脑发育。
FlyWire的研究人员表示，要完全了解果蝇的大脑，还有很多工作要做。例如，最新的连接体只显示了神经元如何通过化学突触连接，称为神经递质的分子通过化学突触发送信息。它没有提供任何关于神经元之间电连接或神经元如何在突触外进行化学通信的信息。Murthy希望最终也有一个雄性果蝇连接体，这将允许研究人员研究雄性特有的行为，如唱歌。“我们还没有完成，但这是一大步，”博克说。
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阅读相关新闻和观点:“果蝇大脑的完整接线图”
此外，在这张巨大的新地图上收听相关的自然播客。
参考
1.多肯瓦尔德，s .等人,《自然》634，124–138(2024)。
文章
谷歌学术
2.Shiu，P. K .等人,《自然》634，210–219(2024年)。
文章
谷歌学术
3.《自然》634，191–200(2024)。
文章
谷歌学术
4.施莱格尔等人，《自然》634，139–152页(2024年)。
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谷歌学术 |
