來自英國劍橋大學(xué)、美國約翰斯•霍普金斯大學(xué)等多家頂尖機(jī)構(gòu)的研究人員，首次完整地對果蠅幼蟲的大腦連接組進(jìn)行重建，繪制出第一張完整的昆蟲大腦圖譜，包括所有神經(jīng)元和突觸。這是了解大腦如何處理感官信息流并將其轉(zhuǎn)化為行動(dòng)的里程碑式成就。2023年3月9日，《科學(xué)》發(fā)表了這項(xiàng)研究成果。

  上世紀(jì)70年代，人類開始了以蛔蟲為首個(gè)實(shí)驗(yàn)對象的大腦圖譜繪制歷程，最終產(chǎn)生了部分圖譜并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。從那時(shí)起，部分連接體已被映射到許多系統(tǒng)中，包括果蠅、小鼠甚至人類。但這些重建通常只代表整個(gè)大腦的一小部分，綜合連接體僅針對體內(nèi)有幾百到幾千個(gè)神經(jīng)元的幾種小物種生成，如蛔蟲、海鞘幼蟲和海洋環(huán)節(jié)動(dòng)物蠕蟲幼蟲。

  研究人員花了一年半時(shí)間，用納米分辨率的電子顯微鏡捕捉了一只出生6小時(shí)的果蠅幼蟲的大腦圖像。然后，他們使用計(jì)算機(jī)輔助程序精確定位神經(jīng)元和突觸，并花了幾個(gè)月的時(shí)間手動(dòng)檢查它們。在計(jì)算機(jī)分析的輔助下，研究人員確定了3016個(gè)神經(jīng)元，其中93%與另一個(gè)大腦半球的伙伴神經(jīng)元配對。大多數(shù)未配對的神經(jīng)元是凱尼恩細(xì)胞，即學(xué)習(xí)和記憶中心的關(guān)鍵神經(jīng)元。研究人員隨后追蹤了每個(gè)神經(jīng)元的扭曲連接，并注釋了54.8萬個(gè)突觸，這些突觸可分為4種類型。他們還開發(fā)了計(jì)算工具，以識(shí)別昆蟲大腦中可能的信息流路徑和不同類型的電路圖案。

  研究團(tuán)隊(duì)特意選擇了果蠅幼蟲，因?yàn)閷τ诶ハx而言，該物種與人類共享許多基本生物學(xué)特性，同時(shí)，它還具有豐富的學(xué)習(xí)和決策行為，這使其成為神經(jīng)科學(xué)中最有用的模型生物之一。出于實(shí)用目的，研究人員還可在合理的時(shí)間范圍內(nèi)對其相對緊湊的大腦進(jìn)行成像并重建其回路。

  這是有史以來第一張昆蟲大腦“地圖”，也是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)里程碑式成就，使科學(xué)家更接近對思維機(jī)制的真正理解，為未來的大腦研究提供支持，并且還可能激發(fā)新的機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)。■