13萬個注釋神經(jīng)元，5300萬個突觸，普林斯頓大學(xué)等發(fā)布首個完整「成年果蠅」大腦連接組（2）

有史以來最大的細(xì)胞類型的驗證集合

FlyWire 連接組是迄今為止獲得的最大和最復(fù)雜的連接組。在另外一篇論文《A consensus cell type atlas from multiple connectomes reveals principles of circuit stereotypy and variation》中，團隊提出并回答了一些關(guān)鍵問題，進一步解釋了這種規(guī)模的連接組：

1）如何知道哪些 edge 是重要的？

2）如何簡化連接組圖以幫助自動或人工分析？

3）該連接組在多大程度上是一個單一的大腦的快照或代表這個物種的整體？

論文鏈接：https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.27.546055v1.full.pdf

這些問題，都與數(shù)據(jù)集內(nèi)和跨數(shù)據(jù)集的連接組注釋和細(xì)胞類型鑒定有著密不可分的聯(lián)系。

在最基本的層面上，如果沒有一個全面的注釋系統(tǒng)，導(dǎo)航這個連接組將是非常具有挑戰(zhàn)性的。所以，團隊這篇論文的注釋提供了一個索引和分層的人類可讀部件列表，使生物學(xué)家們能夠探索他們感興趣的系統(tǒng)和神經(jīng)元。

連接組注釋對于確保數(shù)據(jù)質(zhì)量也是至關(guān)重要的，因為它不可避免地揭示了必須糾正的分割錯誤。此外，果蠅有豐富的歷史，探究廣泛的先天和后天行為的電路基礎(chǔ)，以及它們的發(fā)育遺傳起源；想要實現(xiàn)數(shù)據(jù)集的全部潛力，只有通過交叉識別連接組內(nèi)的細(xì)胞類型與那些先前在已發(fā)表和正在進行的文獻(xiàn)中的特征。

與部分半腦連接組的對比證實了，大多數(shù)蒼蠅細(xì)胞類型是高度定型的；以及，定義簡單和一般啟發(fā)式的連接組內(nèi)的連接是可靠的，也更可能是功能性的。然而，這也揭示了一些細(xì)胞類型的意外變化，并表明許多細(xì)胞類型最初在半腦中的報告不能可靠地重新識別。這一發(fā)現(xiàn)使研究者認(rèn)為有必要開發(fā)和應(yīng)用一種新的強有力的方法來定義跨連接組學(xué)數(shù)據(jù)集的細(xì)胞類型。

在這項研究中，研究者為蒼蠅大腦中的所有神經(jīng)元生成了人類可讀的不同粒度水平上（超類、細(xì)胞類、血緣類等）的注釋。

研究者提供的 4179 種細(xì)胞類型圖譜并不是有史以來最大的（半腦有 5620 種，小鼠腦中的最新工作提供了多達(dá) 5000 個分子簇）。然而，某種程度上說，它是有史以來最大的細(xì)胞類型的驗證集合。

細(xì)胞類型是一個關(guān)于動物內(nèi)部和跨動物的生物變異性的可證實的假設(shè)。在秀麗隱桿線蟲中，從最初的連接組推斷出的 118 個細(xì)胞類型已被隨后的連接組和分子數(shù)據(jù)的分析所明確支持。在一些哺乳動物中，生成 100 個細(xì)胞類型的目錄是可能的，且已被比如在視網(wǎng)膜或運動皮層的多模態(tài)數(shù)據(jù)所驗證。

然而，大規(guī)模的分子圖譜產(chǎn)生了高信息量的層次結(jié)構(gòu)，但還沒有嘗試精確地定義終端細(xì)胞類型 —— 跨個體的最細(xì)單元。研究者首次對 5000 多種細(xì)胞類型測試了這一可證偽的細(xì)胞類型假設(shè)，在 3 個半球的連接體數(shù)據(jù)中確認(rèn)或糾正了約 3166 種細(xì)胞類型。

值得注意的是，連接組數(shù)據(jù)對細(xì)胞類型的劃分特別有意義：它本身是多模態(tài)的（通過提供形態(tài)學(xué)和連接性），而且能夠看到大腦內(nèi)的所有細(xì)胞（完整性）。通過這一嚴(yán)格測試的細(xì)胞類型是非常不可能被修改的（永久性）?；谶@種理解，僅在 FlyWire 數(shù)據(jù)集的兩個半球內(nèi)定義的另外 850 個細(xì)胞類型也應(yīng)該是準(zhǔn)確和永久的。研究者認(rèn)為，連接組數(shù)據(jù)將成為細(xì)胞類型的黃金標(biāo)準(zhǔn)。因此，將分子和連接組學(xué)的細(xì)胞類型聯(lián)系起來將是關(guān)鍵。

在 FlyWire 中，超過三分之一的半腦細(xì)胞類型還不能被識別，可能人們會感到有些驚訝甚至失望。研究者重申，大多數(shù)細(xì)胞是可以被識別的，而且他們期望通過自己和其他同行的努力，在現(xiàn)在的平臺和工具上繼續(xù)逐步改進。

盡管如此，目前的結(jié)果揭示了幾個重要的問題：首先，使用單一腦半球的數(shù)據(jù)所確定的許多細(xì)胞類型現(xiàn)在需要修改；其次，新的多連接組分型方法（圖 6）為該問題提供了一個強大而有效的方法；第三，成年蒼蠅連續(xù)變異的例子通常與哺乳動物細(xì)胞類型相關(guān)，研究者現(xiàn)在也有工具和數(shù)據(jù)，能夠以此前不可能的精度來處理這種變異。

跨腦細(xì)胞分型

總體來說，這項工作奠定了某些基礎(chǔ)，既可以深入研究目前和預(yù)期中正常的蒼蠅連接組，也可助力未來的性雙態(tài)、經(jīng)驗依賴的可塑性、全腦規(guī)模發(fā)展和疾病等方向的研究。