Nature：首次发布果蝇大脑和神经索的连接组

正如基因组彻底改变了分子遗传学，连接组（即所有神经元和突触的连接图谱）正在重塑神经科学。

哈佛医学院和普林斯顿大学领导的研究团队近日首次公布了成年果蝇中枢神经系统内所有神经元连接的完整图谱。

这项成果于6月8日发表在《Nature》杂志上，让研究人员能够开始探究大脑与身体如何相互作用以完成行走和飞行等复杂行为。它还为深入探究神经系统的运作机制提供了可能。

共同通讯作者、哈佛医学院神经生物学系Rachel Wilson教授表示：“我们首次能够将所有神经元及其连接视为一个完整的整体，并自问：‘我们能从中获得什么启示？’”

这份高度详细的神经连接图谱（连接组）在先前发表的果蝇大脑连接组的基础上，新增了果蝇神经索（类似于脊椎动物的脊髓）的图谱。

在分析连接组时，研究人员发现，果蝇的许多行为并非由大脑的中央枢纽控制，而是由相关身体部位的局部神经回路调控。

构建复杂的连接组

大脑和身体中的神经元如何相互连接并协同工作以产生行为，是神经科学领域一个重要的未解之谜。果蝇为研究这一问题提供了一个有效的模型。

果蝇在实验室中易于繁殖和饲养，尽管其神经系统相对简单（由约16万个神经元组成），但它们表现出导航、社交互动、学习以及对感官线索的反应等复杂行为。

2024年，FlyWire联盟发布了果蝇大脑的完整连接组。与此同时，哈佛医学院的研究人员正在构建果蝇神经索的连接组图谱，该结构控制着果蝇的腿、翅及其他附肢，并处理感觉信息。

共同第一作者、哈佛医学院的Helen Yang表示：“大脑和神经索的连接组图谱本身都有其价值，但若无法将二者联系起来，就很难理解信息如何在大脑与身体之间传递。” 

于是，FlyWire团队和哈佛医学院合作，开始追踪整个神经系统中从感觉到动作的信息流。

一款强大的工具

为了构建连接组，研究团队利用一只果蝇制作了数千张极薄的连续切片，并利用电子显微镜对其进行成像，获得了数百万张神经元及其连接的图像。随后，他们运用人工智能（AI）工具对这些图像进行对齐，将其拼接成一张完整的3D地图。

这个连接组展示了大脑和神经索中的每个神经元在突触层面如何与其他神经元相连接。尽管该图谱并未覆盖果蝇的整个身体，但研究人员通过可识别的神经元及已发表的文献，将中枢神经系统的神经元与许多附肢和感觉器官中的神经元连接起来，从而“具象化”了连接组。

据哈佛医学院副教授Wei-Chung Allen Lee介绍，研究人员可以利用连接组提出新的假设，并在实验室中进行验证。他将其比作在规划新路线时，能够获取谷歌地图中的全面信息。

“连接组表明，我们的大多数假设过于简单。现在，我们可以提出更复杂的假设，并通过实验来验证它们，” Lee谈到。他也是本文的共同通讯作者。

研究人员已利用该连接组来探索运动控制机制。具体来说，就是果蝇如何移动腿部及其他身体部位。

他们指出，神经科学界长期以来存在一种观点，认为大脑中存在一个中央控制器，负责决定动物将要执行的动作。然而，他们的研究结果并非如此。

相反，他们发现果蝇的运动控制主要发生在局部层面。例如，果蝇腿部的运动主要由该腿部的神经回路控制。随后，某条腿的局部神经回路会与其他腿的回路进行通信，从而完成行走等复杂的协调动作。

果蝇翅膀、口器及其他身体部位的神经回路也呈现出同样的特征。此外，研究人员发现，这些运动神经回路还与其他类型的神经回路（如视觉系统或内分泌系统中的回路）相互连接，这些回路提供了塑造行为所需的额外信息。

未来的方向

未来，研究人员计划为连接组补充更多信息，包括关于神经肽的内容。这些类似蛋白质的小分子是神经元用于通信的媒介。

连接组带来的新见解有望揭示跨物种（包括人类）神经系统运作的基本原理。

共同第一作者Alexander Bates指出，果蝇神经科学领域的许多发现已从无脊椎动物成功拓展至哺乳动物，包括导航、嗅觉和记忆等领域。

研究人员认为，关键问题在于：他们在果蝇中观察到的神经回路分布式控制现象是否也存在于其他物种中。Lee等人目前正在小鼠身上进行研究。

“如果这种机制仅存在于果蝇身上，我会感到很惊讶，” Yang表示。“尽管我们在其他动物身上未达到这种分辨率，但我们知道它们也拥有大量的此类局部神经回路。”

这项研究的成果还有望应用于人工智能领域。例如，连接组提供了具体的生物学信息，可用于指导智能体的设计，这类系统正越来越多地被用于研究智能以及优化和训练AI。

“让我惊叹的是：这种微小的果蝇竟能完成如此繁复的任务；即便是我们最先进的智能体和机器人，也无法做到果蝇所做的一切，” Yang表示。“神经系统的组织方式或许能为AI带来启示。”