研究人员创建了成年果蝇大脑的首张逐个神经元的图谱，这是脑图谱研究的一项重大成就。该图谱使用 2100 万张图像构建而成，连接了近 14 万个神经元和 5000 万个突触，是迄今为止任何成年动物中最复杂的脑图谱。
这一“连接组”为理解包括人类在内的更复杂物种的神经回路和行为提供了路线图。由人工智能驱动的这一进展为深入了解大脑功能和疾病开辟了新途径。
关键事实：
- 成年果蝇大脑包含 14 万个神经元和 5000 万个突触。
- 该图谱由 2100 万张图像使用人工智能处理神经数据构建而成。
- 果蝇与人的 DNA 有 60%相同，有助于人类脑部疾病的研究。
普林斯顿领导的科学家团队构建了首张成年果蝇（黑腹果蝇）大脑中逐个神经元和逐个突触的路线图，标志着大脑研究的一个重要里程碑。
这项研究是 10 月 2 日《自然》特刊的旗舰文章，该特刊致力于新的果蝇“连接组”。
以前的研究人员绘制了拥有 302 个神经元的秀丽隐杆线虫的大脑图谱，以及拥有 3000 个神经元的果蝇幼虫的大脑图谱，但成年果蝇要复杂几个数量级，有近 14 万个神经元和约 5000 万个连接它们的突触。
该图谱展示了果蝇大脑连接组中 50 个最大神经元的精确位置和排列。这 50 个神经元以及成年果蝇大脑中的另外 139205 个脑细胞，由普林斯顿大学领导的神经科学家、游戏玩家和专业追踪者团队精心绘制。这些神经元（脑细胞）内的活动驱动着生物体所做的一切，从感觉感知到决策再到控制飞行。脑细胞通过超过 5000 万个连接（突触）相互连接。
果蝇与人的 DNA 有 60%相同，四分之三的人类遗传疾病在果蝇中都有类似情况。了解果蝇的大脑是了解更大、更复杂物种（如人类）大脑的垫脚石。
“这是一项重大成就，”普林斯顿神经科学研究所所长、与 Sebastian Seung 共同领导研究团队的 Mala Murthy 说。“对于这种复杂性的成年动物，还没有其他完整的大脑连接组。”Murthy 也是普林斯顿的 Karol 和 Marnie Marcin '96 神经科学教授。
普林斯顿的 Seung 和 Murthy 是《自然》特刊旗舰论文的共同资深作者，该特刊包括一组由普林斯顿大学、佛蒙特大学、剑桥大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣巴巴拉分校、柏林自由大学和马克斯·普朗克佛罗里达神经科学研究所的研究人员领导的九篇相关论文，作者有重叠。
这项工作部分由美国国立卫生研究院的“大脑计划”、普林斯顿神经科学研究所的 Bezos 神经回路动力学中心和 McDonnell 系统神经科学中心以及其他公共和私人神经科学研究所和基金资助，详情列在本文档末尾。
该图谱由 FlyWire 联盟开发，该联盟以普林斯顿大学为基地，由全球 76 多个实验室的团队和 287 名研究人员以及志愿者游戏玩家组成。
旗舰《自然》论文的主要作者 Sven Dorkenwald 领导了 FlyWire 联盟。
“我们构建的在很多方面都是一个地图集，”Dorkenwald 说，他是 2023 年普林斯顿大学的博士毕业生，现在在华盛顿大学和艾伦脑科学研究所工作。
“就像你不想在没有谷歌地图的情况下开车去一个新地方一样，你也不想在没有地图的情况下探索大脑。我们所做的就是构建一个大脑的地图集，并为所有的企业、建筑物、街道名称添加注释。有了这个，研究人员现在有能力在我们试图理解大脑时深思熟虑地探索大脑。”
就像一张地图描绘出每一条小巷和每一条高速公路一样，果蝇的连接组在每个尺度上都展示了果蝇大脑内的连接。
该图谱由当时在霍华德·休斯医学研究所的 Janelia 研究园区、现在在佛蒙特大学的 Davi Bock 领导的一个科学家团队拍摄的 2100 万张雌性果蝇大脑图像构建而成。
使用由与普林斯顿的 Sebastian Seung 合作的研究人员和软件工程师构建的人工智能模型，这些图像中的肿块和斑点被转化为一个有标签的三维地图。研究人员从一开始就向科学界开放了他们正在进行的神经图谱，而不是对其数据保密。
“全脑图谱的绘制得益于人工智能计算的进步。手动重建整个布线图是不可能的。这展示了人工智能如何推动神经科学的发展，”研究的共同领导者之一、普林斯顿的神经科学和计算机科学教授 Sebastian Seung 说。
“现在我们有了这个大脑图谱，我们可以闭环了解哪些神经元与哪些行为相关，”Dorkenwald 说。
这一进展可能会导致针对脑部疾病的定制治疗。
“在很多方面，它（大脑）比任何人类制造的计算机都更强大，但在很大程度上我们仍然不了解其潜在逻辑，”为 FlyWire 项目提供部分资金的美国国立卫生研究院“大脑计划”主任 John Ngai 说。
“如果不详细了解神经元如何相互连接，我们就无法对健康大脑中什么是正确的以及疾病中什么是错误的有基本的了解。”
资金来源：这项研究得到了美国国立卫生研究院（NIH）“大脑计划”（RF1 MH117815、RF1 MH129268、1RF1MH120679-01 和 U24 NS126935）和国家神经疾病和中风研究所（NINDS）（RF1NS121911）；普林斯顿神经科学研究所的 Bezos 神经回路动力学中心和 McDonnell 系统神经科学中心；谷歌；艾伦脑科学研究所；国家科学基金会（NSF Neuronex2 2014862、Neuronex2 MRC MC_EX_MR/T046279/1、MRC MC-U105188491、PHY-1734030）；惠康信托合作奖（203261/Z/16/Z 和 220343/Z/20/Z）；玛丽·居里博士后奖学金（H2020-WF-01-2018-867459）；葡萄牙研究委员会（Grant PTDC/MED-NEU/4001/2021）；以及通过内政部（DOI）的情报高级研究项目活动（IARPA）（D16PC0005）的支持。
