为什么科学家要花费数年时间绘制这种生物的大脑图？

果蝇的大脑大小和罂粟种子一样大，很容易被忽视。

“我认为大多数人甚至不认为苍蝇有大脑，”弗吉尼亚州霍华德休斯医学研究所 Janelia 研究园区的神经科学家 Vivek Jayaraman 说。 “但是，当然，苍蝇过着非常丰富的生活。”

苍蝇能够做出复杂的行为，包括在不同的景观中航行， 与竞争对手的斗争 唱歌的潜在伙伴。 它们的斑点大小的大脑非常复杂，包含大约 100,000 个神经元和 它们之间有数以千万计的连接或突触。

自 2014 年以来，Janelia 的一个科学家团队与 谷歌研究人员，映射这些神经元和突触，以创建果蝇大脑的综合接线图，也称为神经网络。

即使在现代机器学习算法的帮助下，这项工作是连续的，既耗时又昂贵。 但迄今为止公布的数据在细节上令人震惊，在果蝇大脑的许多关键区域形成了一个由数万个多刺神经元组成的图谱。

现在， 在一片巨大的新叶子中周二发表在 eLife 杂志上的神经科学家开始展示他们可以用它做什么。

通过分析果蝇大脑的一小部分神经网络——中央复合体，在导航中起着重要作用——Gyaraman 博士及其同事已经确定了数十种新的神经元类型和特定的神经回路，它们似乎有助于果蝇制造它们的大脑。通过世界的方式。 这项工作最终可能有助于深入了解包括我们在内的各种动物大脑如何处理大量感官信息并将其转化为适当的行动。

这也是现代神经连接新领域的原理证明，建立在创建详细的大脑接线图将产生科学成果的承诺之上。

“这真的很不寻常，”西雅图艾伦脑科学研究所的高级研究员 Clay Reed 博士在谈到这篇新论文时说。 “我认为任何看到它的人都会说突触是我们在神经科学中需要的工具——完全停止。”

“你的脑残粉已经煮熟了”

动物界唯一完整的神经网络属于不起眼的蛔虫，C. elegans。 后来获得诺贝尔奖的先驱生物学家西德尼·布伦纳 (Sidney Brenner) 于 1960 年代启动了该项目。 他的小团队花了数年时间，使用彩色铅笔手工追踪所有 302 个神经元。

“布伦纳意识到要了解神经系统，你必须了解它的结构，”阿尔伯特爱因斯坦医学院的神经科学家和遗传学家斯科特埃蒙斯说。 创建一个新的神经网络 C. elegans. 这在整个生物学中都是正确的。 结构非常重要。”

布伦纳等人 他们的历史论文1986 年记录在 340 页上。

但是现代神经连接领域直到 2000 年代才开始兴起，当时成像和计算的进步最终使识别更大大脑中的连接成为可能。 近年来，世界各地的研究团队开始拼凑斑马鱼、鸣禽、老鼠、人类等的神经网络。

当 Janelia Research Campus 于 2006 年开放时，其创始董事 Gerald Rubin 将目光投向了果蝇。 鲁宾博士说：“我不想冒犯我的任何蠕虫同伴，但我认为苍蝇是最简单的大脑，它们实际上会做出有趣而复杂的行为。”

在接下来的几年里，Janelia 的几个不同的团队开始了航空通信网络项目，但导致这篇新论文的工作始于 2014 年，其中 五天大的雌性果蝇的大脑。

研究人员将一只苍蝇的大脑切成薄片，然后使用一种称为聚焦离子束扫描电子显微镜的技术逐层成像。 显微镜本质上是一个非常小且非常精确的指甲锉，去除大脑的一个非常薄的层，对暴露的组织拍照，然后重复这个过程，直到没有留下任何东西。

“你同时对苍蝇大脑的小部分进行成像和切割，所以在你完成后它们就不存在了，”贾亚拉曼博士说。 “所以如果你做错了什么，你就完了。鹅被煮熟了——或者你的苍蝇脑被煮熟了。”

然后，该团队使用计算机视觉软件将数百万张生成的图像拼接到一个 3D 文件夹中，并将它们发送给谷歌。 在那里，研究人员使用先进的机器学习算法来识别每个单独的神经元并跟踪其扭曲的分支。

最后，Janelia 的团队使用额外的计算工具来识别突触，人类研究人员审查了计算机的工作，纠正了错误，并修改了接线图。

去年，研究人员 神经网络传播 国民服役 他们所谓的“半脑”， 中央苍蝇大脑的很大一部分，包括对睡眠、学习和导航至关重要的区域和结构。

可以在线免费访问的神经系统包括大约 25,000 个神经元和 2000 万个突触，这比秀丽隐杆线虫要多得多。

“这是一个巨大的增长，”纽约洛克菲勒大学的神经科学家科里·巴格曼说。 “这是朝着研究大脑连通性目标迈出的一大步。”

欢迎指导

一旦大脑的神经网络准备就绪，飞行导航神经科学专家 Gyaraman 博士就渴望深入研究中央池中的数据。

大脑区域包含大约 3,000 个神经元，存在于所有昆虫中，帮助苍蝇建立其与世界空间关系的内部模型，然后选择并实施适合其环境的行为，例如在饥饿时觅食。

“你是说你可以给我这样的接线图？” 贾亚拉曼博士说。 “这是比深入了解 Apple iPhone 所能获得的更好的工业间谍活动。”

他和他的同事仔细查看了神经网络数据，研究了该区域的神经回路是如何组合在一起的。

例如，Jayaraman 博士实验室的博士后 Hannah Haberkern 分析了将感觉信息发送到椭球的神经元，椭球是一种圆形蛋糕状结构，可作为 室内飞罗盘.

Haberkern 博士发现，与传递其他细胞信息的神经元相比，已知传递光偏振信息的神经元（许多动物用于导航的通用生态指南）与罗盘神经元建立了更多的联系。 视觉地标和地标。

专用于光偏振的神经元也连接到提供其他导航信号信息的脑细胞——并且能够严重抑制它们。

研究人员假设，苍蝇的大脑可能会在移动中优先考虑有关全球环境的信息——而且这些回路是灵活的，因此当这些信息不足时，他们可以更多地关注景观的局部特征。 “他们拥有所有这些备份策略，”Haberkern 博士说。

果蝇家用电话

研究小组的其他成员已经确定了特定的神经通路，这些通路似乎非常适合帮助苍蝇跟踪其头部和身体的方向，预测其未来的方向和行进方向，计算其相对于另一个所需位置的当前方向，然后移动在那个方向。

例如，想象一下，一只饥饿的苍蝇暂时放弃了一根腐烂的香蕉，看看它是否可以更好地嗖嗖。 但经过几分钟无果而终的探索（字面意思）后，她想回到上一餐。

神经网络数据表明，某些脑细胞，技术上称为 PFL3 神经元，帮助果蝇完成这种动作。 这些神经元接收两个重要的输入：它们从跟随苍蝇面向方向的神经元接收信号，也从可能监测香蕉方向的神经元接收信号。

接收到这些信号后，PFL3 神经元将自己的信息发送给一组神经元，促使果蝇转向正确的方向。 晚餐再次供应。

“通过该电路追踪这种活动的能力——从感官到运动，通过这个复杂的中间电路——真的很神奇，”贾亚拉曼博士实验室的研究科学家布拉德赫尔斯说，他领导了这部分分析。 他补充说，神经网络“向我们展示了比我们想象的要多得多的东西。”

收集文件 – 包括 75 个数字的草稿，跨越 360 页 – 仅仅是个开始。

“它确实提供了进一步探索这个大脑区域的关键事实，”瑞典隆德大学昆虫神经科学专家斯坦利海因茨说。 “这非常令人印象深刻。”

而且非常强大。 “我不会把它当作一篇研究论文，而是当作一本书，”海因茨博士说。

实际上，纸张如此之大，以至于印前服务器 bioRxiv 起初他们拒绝发表，可能是因为官员们——出于可以理解的原因——认为这真的是 书，贾亚拉曼博士说。 （服务器最终表明该研究已发表，经过几天的额外处理。）

Jayaraman 博士补充说，在 eLife 上发表论文“需要一些特殊的许可并与编辑委员会进行沟通”。

飞行课

单个大脑的快照在某一时刻所能揭示的内容是有限的，而且神经网络并不能捕捉到动物大脑中所有有趣的东西。 （例如，Janelia 的神经网络忽略了在大脑中执行各种重要任务的神经胶质细胞。）

Jayaraman 博士及其同事断言，如果不是许多其他科学家对果蝇行为和基本神经生理学和功能以及理论神经科学进行了数十年的先前研究，他们将无法从神经网络中推断出太多信息。 工作。

但是接线图可以帮助研究人员调查现有理论并形成更好的假设，决定要问什么问题和要进行什么实验。

“现在我们真正兴奋的是将那些受神经网络启发的想法带回显微镜，回到我们的电极并实际记录大脑，看看这些想法是否真实，”赫尔斯博士说.

当然，人们可以——有些人想知道——为什么果蝇大脑的回路如此重要。

“我在假期经常被问到这个问题，”赫尔斯博士说。

苍蝇不是老鼠、黑猩猩或人类，但它们的大脑执行一些相同的基本任务。. 圣路易斯华盛顿大学的神经科学家大卫范埃森说，了解昆虫的基本神经回路可以为其他动物的大脑如何处理类似问题提供重要线索。

他说，深入了解果蝇的大脑，“也为我们提供了与理解哺乳动物，甚至人类的大脑及其行为非常相关的见解。”

为更大、更复杂的大脑创建网络将非常具有挑战性。 小鼠大脑包含大约 7000 万个神经元，而人脑的体积为 860 亿。

但复杂的中央叶肯定并不孤单； 目前，区域小鼠和人类神经网络的详细研究正在进行中，里德博士说：“还有更多的事情要做。”

杂志编辑们，把自己当成一个警告。