13萬個注釋神經元，5300萬個突觸，普林斯頓大學等發(fā)布首個完整「成年果蠅」大腦連接組（1）

這將進一步推動科學家們探索在 3D 環(huán)境中對果蠅大腦進行精確的計算機模擬。

從秀麗隱桿線蟲 (302 個神經元) 到果蠅 (約 10 萬個神經元)，截止到今天，已經有許多項目繪制了各種生物的全腦連接組圖譜。而黑腹果蠅是被人類研究得最徹底的生物之一，截至 2017 年，已有 8 個諾貝爾獎頒發(fā)給使用果蠅的研究。

研究者對果蠅的研究還在繼續(xù)，近日，來自普林斯頓大學等機構的研究者發(fā)布了果蠅的全腦連接組，包括約 130k 個注釋神經元和數(shù)千萬個類型突觸。

大家多少都了解，從古老的動物開始就存在基本的神經系統(tǒng)，但大腦系統(tǒng)的出現(xiàn)要追溯到 5 億年前。研究表明將大腦劃分為不同區(qū)域有助于理解其功能。

然而，多年來，關于神經元和突觸層面的神經連接圖一直存在爭議，造成這一現(xiàn)象的主要原因在于人類缺乏能夠重構此類連接圖的技術。隨著技術的發(fā)展，情況在 21 世紀初才開始發(fā)生變化。

直到今天，來自普林斯頓大學等機構的研究者發(fā)布了果蠅的全腦連接組，這是首個完整的成年果蠅大腦神經連接圖。

論文地址：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546656v1.full.pdf

在該成果發(fā)布之后，有人表示：「許多項目繪制了各種生物的全腦連接組圖，從秀麗線蟲（302 個神經元）到果蠅（約 100k 神經元）。以我們目前的計算能力，為什么不能在一個虛擬的 3D 環(huán)境中對這些生物進行精確的計算機模擬呢？」

首個完整的成年果蠅大腦神經連接圖

果蠅的大腦看起來很小，擁有 10^5 個神經元和 10^8 個突觸，盡管如此，果蠅借助這些能夠完成看、聞、聽、走，當然還能飛。

長期以來，研究者通過電子顯微鏡（EM）圖像已經對果蠅大腦的部分區(qū)域進行了重建，這些圖像清晰度還不錯，能夠顯示出神經元的細小分支和相連的突觸。由此得到的神經回路的連接圖為研究者理解大腦如何產生社交行為、與記憶有關的行為以及導航行為提供了關鍵見解。

然而，EM 方法雖然已經應用于大腦的部分區(qū)域，并重建了信息豐富的局部連接圖，但對于更全面地理解大腦功能來說，這種方法還不足夠。

此前，研究者基于 Ito 等人的研究來構建單個神經突觸網格，本文采用的網格是基于此前生成完整大腦分割的 JFRC2 標準腦模板，這些網格也被用于 Virtual Fly Brain（模擬果蠅）項目。通過一系列非剛性變換，該研究將這些網格從 JFRC2 空間移動到 FlyWire（FAFB14.1）空間中。

注：FlyWire 是一個用于探索果蠅大腦的全腦連接組學平臺。自 2019 年以來，科學家和經驗豐富的校對員一直在使用 FlyWire 來校對 AI 對整個果蠅大腦的分割。截至 2023 年 6 月，在 FlyWire 中已經校對了超過 120,000 個神經元，包括整個中央大腦。

如下圖所示，該研究重建的整個成年果蠅大腦包含 127,978 個神經元（圖 1a），它們之間有 5300 萬個突觸。成年雌性果蠅的全腦圖像 (圖 1e, f) 先前通過串行切片傳輸 EM 獲得，并由 Zheng et al. 發(fā)布到公共領域。

本文表明，該研究對整個果蠅大腦的重建所得到的連接圖已經足夠完整，足以被稱為「連接組（connectome）」。與秀麗隱桿線蟲（300 個神經元，小于 10^4 個突觸）和果蠅第一齡幼蟲（3,000 個神經元，5×10^5 個突觸）相比，其連接組有了明顯的飛躍：連接組不僅僅是數(shù)量上超越了果蠅半個大腦，它還涵蓋了果蠅中央大腦的食道下區(qū)（SEZ），該區(qū)域對味覺和機械感知等非常重要，此外，連接組還涵蓋了從果蠅大腦向下驅動運動神經元的過程。

下圖為神經元類別，圖（a）顯示將果蠅大腦中的神經元按「流」進行分類：內在的、傳入的、傳出的。然后每個流類根據位置和功能進一步劃分為「超類」。第一次公開發(fā)布的復眼缺失了約 8000 個視網膜細胞和一個半球的四個小眼珠，這些部分用陰影條表示。（b）利用這些神經元注釋，該研究在果蠅大腦的超類之間創(chuàng)建了一個聚合的突觸圖。(c) 每個超類中所有神經元的效果圖。(d) 除了眼神經和頸結締組織 (CV) 外，每個半球還有 8 個神經。所有穿過神經的神經元都被重建和解釋了。(e) 感覺神經元可以根據其對感覺模態(tài)的響應進行細分。在 FlyWire 中，幾乎所有的感覺神經元都已經按模態(tài)進行了分類。(f) 所有非視覺感覺神經元的渲染圖。

下圖為果蠅大腦負責處理視覺信息的示圖：

下圖為信息通過果蠅的中央大腦流動：