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編者按：借助谷歌的科技，研究人員近日在繪制果蠅大腦神經(jīng)地圖方面有了新突破。在一篇已發(fā)表的長(zhǎng)篇科學(xué)論文中，科學(xué)家們介紹了果蠅導(dǎo)航、定位、了解周遭環(huán)境時(shí)大腦神經(jīng)元的變化?？茖W(xué)家們也在這篇文章中，回答了為什么研究果蠅大腦神經(jīng)元對(duì)人類如此重要。本文來(lái)自編譯。

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美國(guó)弗吉尼亞州霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所珍利亞研究園區(qū)的神經(jīng)科學(xué)家維維克·賈亞拉曼 (Vivek Jayaraman) 說(shuō)，果蠅的大腦只有罌粟籽那么大，很容易被人忽視掉。許多人甚至不覺得果蠅有大腦。

但事實(shí)上，這種蟲子卻過(guò)著相當(dāng)豐富的生活。蒼蠅可以做出復(fù)雜的行為。它們那顆小小的大腦結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含有大約10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的連接和突觸。

自2014年以來(lái)，賈亞拉曼的科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)就開始和谷歌的研究人員合作，繪制這些神經(jīng)元和突觸的地圖，以創(chuàng)建大腦神經(jīng)連接圖譜，從中一窺果蠅大腦的秘密。

即使有著最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法輔助，這項(xiàng)工作也是相當(dāng)耗時(shí)和昂貴。到目前為止，他們已經(jīng)畫出了果蠅大腦關(guān)鍵區(qū)域的粗糙的神經(jīng)元圖譜。

現(xiàn)在，他們?cè)凇秂Life》上發(fā)布了一篇新論文，以解釋這些發(fā)現(xiàn)有何作用。

通過(guò)分析果蠅大腦的一小部分——在導(dǎo)航時(shí)發(fā)揮重要作用的中央復(fù)合體——的連接組，維維克·賈亞拉曼和他的團(tuán)隊(duì)繪制了數(shù)十種新的神經(jīng)元類型，并了解了它們的神經(jīng)回路。通過(guò)分析果蠅的大腦，我們可以深入了解包括人類在內(nèi)的各類動(dòng)物的大腦如何處理信息、并將其轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

這也證明了現(xiàn)代連接組學(xué)（連接組學(xué)是神經(jīng)學(xué)的分支——譯者注）的原理，這個(gè)領(lǐng)域著重研究大腦神經(jīng)分布連接，它因潛在的科學(xué)紅利而被看好。

西雅圖艾倫腦科學(xué)研究所的高級(jí)研究員克萊-里德 (Clay Reid) 博士在談到這篇新論文時(shí)說(shuō)：“這真的很了不起，我認(rèn)為任何一位看完這篇論文的人都會(huì)說(shuō)，連接組學(xué)是研究神經(jīng)科學(xué)的重要工具?！?/p>

動(dòng)物界唯一有完整連接組的蛔蟲是秀麗隱桿線蟲 (C. elegans)。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、生物學(xué)家悉尼·布倫納 (Sydney Brenner) 于 1960 年代啟動(dòng)了這個(gè)研究項(xiàng)目，他的團(tuán)隊(duì)花了數(shù)十年的時(shí)間，終于用彩筆手繪出了這種蛔蟲的302個(gè)神經(jīng)元。

“布倫納意識(shí)到，想要了解神經(jīng)系統(tǒng)，必須了解它的結(jié)構(gòu)?！?阿爾伯特愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家和遺傳學(xué)家斯科特·埃蒙斯 (Scott Emmons) 說(shuō)，他后來(lái)使用數(shù)字技術(shù)重新創(chuàng)建出了秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接組?！罢麄€(gè)生物學(xué)都是如此，結(jié)構(gòu)是如此重要?！?/p>

布倫納及同事于1986年發(fā)表了具有里程碑意義的論文。但直到2006年，現(xiàn)代連接組學(xué)才開始有了飛躍式的發(fā)展。因?yàn)榈竭@個(gè)時(shí)期，新的成像技術(shù)和計(jì)算能力才能讓繪制大腦連接圖成為可能。近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)開始用技術(shù)繪制斑馬魚、鳴禽、小鼠、人類等的大腦連接組。

當(dāng)美國(guó)珍利亞研究園區(qū)于2006年開放后，它的創(chuàng)世董事杰拉爾德·魯賓 (Gerald Rubin) 就將目光投向了果蠅。

從那以后，珍利亞研究園區(qū)的不同團(tuán)隊(duì)都開始了果蠅連接組項(xiàng)目。最后得以寫成論文發(fā)表的這項(xiàng)研究始于2014年，研究對(duì)象是一個(gè)五天大的雌性果蠅的大腦。

研究人員將果蠅大腦切片，用聚焦離子束掃描電子顯微鏡對(duì)它逐層成像。這種顯微鏡可以銼掉大腦的薄層，只留下連接組織的影像。顯微鏡會(huì)重復(fù)這一過(guò)程，直到成像里不再有任何薄層殘留。

然后，團(tuán)隊(duì)會(huì)使用計(jì)算機(jī)的成像軟件，將數(shù)百萬(wàn)張圖片拼接成一個(gè)3D圖，然后將它發(fā)送給谷歌。在那里，谷歌的研究人員會(huì)使用最先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)識(shí)別每個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)元，并追蹤和繪制它的分支。

最后，珍利亞研究園區(qū)的團(tuán)隊(duì)會(huì)使用額外的計(jì)算工具，來(lái)精確定位突觸，校對(duì)機(jī)器的工作，糾正錯(cuò)誤，改進(jìn)繪制好的連接圖。

去年，研究人員發(fā)表了一個(gè)“半腦”連接組地圖，這是蒼蠅大腦很大的一部分，其中包括對(duì)睡眠、學(xué)習(xí)和導(dǎo)航至關(guān)重要的區(qū)域和結(jié)構(gòu)。研究人員公開的、可以在線訪問(wèn)的數(shù)據(jù)涉及2.5萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元和超過(guò)2000萬(wàn)個(gè)突觸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了秀麗隱桿線蟲的連接組數(shù)據(jù)。

紐約洛克菲勒大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家科里·巴格曼 (Cori Bargmann) 將這一數(shù)據(jù)稱之為“戲劇性的增長(zhǎng)”。

一旦半腦連接組的地圖繪制好了，飛行導(dǎo)航神經(jīng)科學(xué)專家賈亞拉曼 (Jayaraman) 就希望可以深入研究中央復(fù)合體的數(shù)據(jù)。

所有昆蟲的大腦區(qū)域包含近3000個(gè)神經(jīng)元，這樣的神經(jīng)元幫助蒼蠅建立空間概念，幫助它們確定下一步行動(dòng)，如尋找食物。

賈拉曼和他的同事研究了該區(qū)域的神經(jīng)回路是如何組合在一起的。比如，他的助理深入分析了將感覺信息發(fā)送到橢球體的神經(jīng)元——橢球體是一種充當(dāng)果蠅腦中“羅盤”的環(huán)形結(jié)構(gòu)。經(jīng)研究，他們發(fā)現(xiàn)傳遞光偏振信息的神經(jīng)元和橢球體的神經(jīng)元連接更密切。這種傳遞光偏振信息的神經(jīng)元也會(huì)抑制其他提供導(dǎo)航線索信息的腦細(xì)胞。

研究人員因此假設(shè)，果蠅優(yōu)先使用光偏振信息來(lái)掌握周遭環(huán)境和導(dǎo)航。但是當(dāng)這一信息不足時(shí)，它們也會(huì)靈活選用大腦收到的其他信息，來(lái)掌握周遭環(huán)境的局部特征。

其他小組則發(fā)現(xiàn)了幫助果蠅預(yù)測(cè)和定位方向的神經(jīng)回路。舉個(gè)例子，一只果蠅發(fā)現(xiàn)了一個(gè)腐爛的香蕉，但它決定先往前再飛一會(huì)兒找找更美味的食物；當(dāng)它最后沒有找到更美味的食物時(shí)，它會(huì)通過(guò)這種神經(jīng)回路幫助自己定位剛才的香蕉的位置，從而成功返回。連接組數(shù)據(jù)表明，某些腦細(xì)胞（技術(shù)上稱之為PFL3的神經(jīng)元）可以幫助果蠅完成這一操作。

賈亞拉曼團(tuán)隊(duì)的成員布拉德·赫爾斯 (Brad Hulse) 對(duì)這一發(fā)現(xiàn)表示驚嘆，他補(bǔ)充說(shuō)“連接組向我們展示了比想象中更多的內(nèi)容”。

這份論文的草稿包括360頁(yè)，但這僅僅是個(gè)開始。瑞典隆德大學(xué)昆蟲神經(jīng)科學(xué)專家斯坦利·海因策 (Stanley Heinze) 說(shuō)：“它（這項(xiàng)研究）為探索大腦這一區(qū)域提供了基本的事實(shí)”，“我會(huì)將它看成一篇論文，而是一本書”。

賈亞拉曼說(shuō)，這篇研究因?yàn)樘L(zhǎng)，最開始是被拒絕作為論文發(fā)表的。后來(lái)它在《eLife》上得以發(fā)表，但期間需要和編輯人員來(lái)回交流。

賈亞拉曼及同事認(rèn)為，神經(jīng)科學(xué)中前輩的研究成果對(duì)這項(xiàng)研究非常重要。如果不是前幾十年科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)果蠅行為有了研究，以及對(duì)基本神經(jīng)元生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)有了貢獻(xiàn)，那么他們將無(wú)法從連接組中推斷出這么多內(nèi)容。

有人可能會(huì)問(wèn)，為什么研究果蠅的大腦神經(jīng)元如此重要。答案是，蒼蠅不是老鼠、黑猩猩或人類，但它們的大腦執(zhí)行一些和上述生物相同的基本任務(wù)。圣路易斯華盛頓大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家大衛(wèi)·范·埃森 (David Van Essen) 說(shuō)，了解昆蟲的基本神經(jīng)回路，可以有助于了解其他動(dòng)物（比如哺乳動(dòng)物）的大腦如何運(yùn)作。

為更大、更復(fù)雜的大腦繪制連接組地圖將更具挑戰(zhàn)性。比如，小鼠大腦包含大約 7000 萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元，而人類大腦則高達(dá) 860 億個(gè)。這個(gè)方向的研究正在進(jìn)行中，研究人員表示：“還有許多事情要做。”

譯者：Michiko

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