The connectome of an insect brain
作者：Michael Winding, Benjamin D. Pedigo , Christopher L. Barnes, Heather G. Patsolic , Youngser Park, Tom Kazimiers , Akira Fushiki, Ingrid V. Andrade, Avinash Khandelwal, Javier Valdes-Aleman, Feng Li, Nadine Randel , Elizabeth Barsotti, Ana Correia , Richard D. Fetter, Volker Hartenstein, Carey E. Priebe, Joshua T. Vogelstein, Albert Cardona*, Marta Zlatic
Science：2023/03/10
Brains contain networks of interconnected neurons and so knowing the network architecture is essential for understanding brain function. We therefore mapped the synaptic-resolution connectome of an entire insect brain (Drosophila larva) with rich behavior, including learning, value computation, and action selection, comprising 3016 neurons and 548,000 synapses. We characterized neuron types, hubs, feedforward and feedback pathways, as well as cross-hemisphere and brain-nerve cord interactions. We found pervasive multisensory and interhemispheric integration, highly recurrent architecture, abundant feedback from descending neurons, and multiple novel circuit motifs. The brain's most recurrent circuits comprised the input and output neurons of the learning center. Some structural features, including multilayer shortcuts and nested recurrent loops, resembled state-of-the-art deep learning architectures. The identified brain architecture provides a basis for future experimental and theoretical studies of neural circuits.
近日，約翰·霍普金斯大學(xué)和劍橋大學(xué)合作繪制了一張極其驚人的圖譜，圖中描繪了一只果蠅幼蟲(chóng)的完整大腦連接組（connectome），其中每一個(gè)神經(jīng)連接都得到了復(fù)現(xiàn)，包括了其中3016個(gè)神經(jīng)元，連接數(shù)超過(guò)54萬(wàn)個(gè)，這也是迄今為止首個(gè)昆蟲(chóng)大腦圖譜。
“50年了，我們終于獲得了第一個(gè)清晰的大腦連接組的圖譜，”參與該項(xiàng)研究的Joshua Vogelstein博士表示，目前相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表于頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。
早在上世紀(jì)70年代，科學(xué)家就曾嘗試給蛔蟲(chóng)繪制大腦圖譜，他們也成功地產(chǎn)生了部分神經(jīng)連接，這也初步預(yù)示著我們能夠還原和構(gòu)建出大腦的部分圖譜。目前為止，科學(xué)界一共只獲得了3種生物的完整神經(jīng)連接組，包括線蟲(chóng)、海洋蠕蟲(chóng)幼蟲(chóng)以及海鞘幼蟲(chóng)，它們的完整連接組中包括了可能幾百個(gè)神經(jīng)元，但是并沒(méi)有類似哺乳動(dòng)物和人類大腦一樣的腦半球結(jié)構(gòu)，還難以稱得上大腦圖譜。
以當(dāng)下的技術(shù)來(lái)說(shuō)，想要繪制大腦的整個(gè)連接組圖譜，需要將目標(biāo)個(gè)體大腦切成數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單獨(dú)的組織樣本，這些樣本需要經(jīng)過(guò)電子顯微鏡成像，然后逐個(gè)地將神經(jīng)元聯(lián)系到一起，從碎片化的樣本構(gòu)建成完整的連接組。
▲研究繪制的昆蟲(chóng)大腦圖譜（圖片來(lái)源：參考資料[3]；Credit：Johns Hopkins University/University of Cambridge）
這也意味著，大腦越復(fù)雜就越難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)樾枰礈惖慕M織樣本數(shù)會(huì)非常大。為此，新研究選擇了果蠅幼蟲(chóng)當(dāng)作實(shí)驗(yàn)對(duì)象，果蠅是一種比較成熟的模式生物，與人類共享了許多基本的生物學(xué)特征，也是研究神經(jīng)科學(xué)的優(yōu)秀模型。
即使是如此小的生物，研究團(tuán)隊(duì)前后一共也花費(fèi)了12年才構(gòu)建它們的完整大腦連接組。研究過(guò)程中，果蠅幼蟲(chóng)的大腦被切成了5000份極薄的組織樣本，每個(gè)樣本都經(jīng)過(guò)了顯微成像，最后拼湊了三維的組織結(jié)構(gòu)。這些圖像中的單個(gè)神經(jīng)元都被仔細(xì)分析，并追蹤了它們軸突和樹(shù)突與其他區(qū)域的聯(lián)系。
據(jù)研究者介紹，每個(gè)神經(jīng)元的成像就需要花費(fèi)約1天的時(shí)間，這也是構(gòu)建完整圖譜所需時(shí)間如此之長(zhǎng)的原因。
當(dāng)然，除了重現(xiàn)出了果蠅幼蟲(chóng)的完整大腦連接組，他們也借此會(huì)發(fā)現(xiàn)了許多與現(xiàn)有認(rèn)知不同的現(xiàn)象。比如我們基本認(rèn)為神經(jīng)元會(huì)通過(guò)軸突輸出信息，而樹(shù)突負(fù)責(zé)接收上一個(gè)神經(jīng)元的信息，也就是軸突-樹(shù)突的連接方式。但在圖譜中他們看到了例外，軸突-軸突、樹(shù)突-樹(shù)突，甚至是樹(shù)突-軸突的連接都是存在的。
▲借助圖譜，研究者發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)之間的多種相互連接方式（圖片來(lái)源：參考資料[3]）這些連接既緊密又疏離，比如當(dāng)感覺(jué)信息進(jìn)入的時(shí)候，在信息傳遞到運(yùn)動(dòng)控制區(qū)域之前，它只會(huì)經(jīng)過(guò)非常少的神經(jīng)元，這樣可以保證個(gè)體能盡快做出運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。而大腦最繁忙的神經(jīng)回路往往與學(xué)習(xí)行為有關(guān)。研究者認(rèn)為這一成果讓我們朝更大的動(dòng)物大腦圖譜又近了一步，目前已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)正在繪制果蠅成蟲(chóng)的大腦圖譜了，Vogelstein博士表示，“可能下一個(gè)10年，就有望在小鼠身上開(kāi)展類似的研究，最后幫助理解人類的大腦?！?/span>[1] Scientists complete 1st map of an insect brain. Retrieved March 14, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/981536[2] 1st complete map of an insect's brain contains 3,016 neurons. Retrieved March 14, 2023 from https://www.livescience.com/1st-complete-map-of-an-insects-brain-contains-3016-neurons[3] The connectome of an insect brain. Science (2023). DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.add9330
