黑色背景上果蝇头部的彩色扫描电子显微照片

果蝇黑腹果蝇是一种重要的模式生物。来源:科学之眼/科学图片库

科学家绘制了第一张完整的小昆虫大脑地图，包括它所有的神经元和连接突触。

这项研究发表于3月9日科学1，首次提供了一种复杂动物——果蝇的大脑连线图，即连接体黑腹果蝇．这张地图显示，在一个年轻的细胞中，3016个神经元和548000个突触紧密地聚集在一起果蝇它的大脑比罂粟籽还小。

这张地图是理解大脑如何处理感官信息流并将其转化为行动的一个里程碑。“现在我们有了一个参考大脑，”这篇论文的合著者、英国剑桥大学神经科学家玛尔塔·兹拉蒂奇(Marta Zlatic)说。“我们可以看看阿尔茨海默病和帕金森病以及任何退行性疾病模型的连通性发生了什么。”

理想的模型

到目前为止，科学家只绘制了蠕虫的连接体秀丽隐杆线虫而且沙蚕蠕虫和海鞘的幼虫Ciona intestinalis．果蝇是连接体研究的理想模型，因为科学家已经对其基因组进行了测序，而且幼虫的身体是透明的。果蝇也表现出复杂的行为，包括学习、导航、处理气味和权衡一个行动的风险和收益。台湾新竹国立清华大学的计算神经科学家罗仲创说:“它的大小在现有技术下是可控的。”

“如果你在八十年代问我，那时候秀丽隐杆线虫这篇论文的合著者、剑桥大学神经科学家阿尔伯特·卡多纳(Albert Cardona)说:“如果在果蝇身上做这个项目，那是不可能的。”

在白色背景上由多种不同颜色的线和点组成的图表

这张图描述了果蝇大脑的连通性。每个点代表一个神经元。连通性越相似的神经元被画得越近。线条表示神经元之间的连接。边界显示了不同神经元结构和形状的例子。资料来源:Benjamin Pedigo

研究人员花了一年半的时间来捕捉一个六小时婴儿的大脑图像果蝇用纳米分辨率电子显微镜观察幼虫。利用计算机辅助程序，他们确定了神经元和突触，并花了几个月的时间手动检查它们。

研究人员发现了3016个神经元，其中93%的神经元与另一个大脑半球的伙伴神经元配对。大多数未配对的神经元是凯尼恩细胞，学习和记忆中心的关键神经元。

然后，研究人员追踪了每个神经元的扭曲连接，并注释了548,000个突触，这些突触可以分为四种类型。德国科隆大学的神经科学家伊藤圭(Kei Ito)说:“这真的很费时费力。”

大多数连接体研究都包括一种类型的连接——从一个神经元的轴突到另一个神经元的树突——而忽略了轴突到轴突或树突到树突的连接。“现在我们需要重新考虑它们:我们可能需要考虑创建一个新的神经系统计算模型，”Lo说。

多种途径

接线图显示，这种昆虫的大脑是多层的，有不同长度的通路连接大脑输入和大脑输出。

这是“一种很好的嵌套结构”，剑桥大学神经科学家、论文合著者迈克尔·温丁(Michael Winding)说。但有些大脑网络有捷径，可以跳过几层。作者认为，这样的捷径可以提高大脑的计算能力，弥补神经元数量有限的不足。

研究小组还发现，41%的大脑神经元形成了“循环回路”，向上游伙伴提供反馈。这些捷径和循环类似于人工智能研究中使用的最先进的人工神经网络。“有趣的是，计算机科学领域正在向进化论的发现靠拢，”卡多纳说。

目前的地图只提供了一种动物的数据，但作者说，技术的进步将允许绘制更多的苍蝇，并最终绘制其他物种的地图。兹拉蒂奇说:“人们现在可以用它来训练机器学习，使其速度更快。”

“这不是故事的全部，”Lo说。下一步是绘制成年人的大脑图谱果蝇他补充说，后者更复杂，神经元也更多。