科学家首次绘制了成年动物大脑的每个神经元

大脑是一个复杂的神经元连接系统。绘制这些连接图是了解大脑工作原理的重要一步。科学家最近完成了迄今为止最雄心勃勃的绘制大脑图谱的努力：完整记录成年果蝇大脑中每个神经元和每个连接。

这项研究是首张针对能行走和看东西的动物绘制的脑图，也是首张完整的成年动物脑图。它追踪了果蝇脑中的 139,255 个神经元中的每一个，以及它们之间的 5000 万个连接，是迄今为止最大、最详细的脑图。曾有人为同一物种的幼虫绘制了类似的脑图，但幼虫的脑要小得多，只有大约 3,000 个神经元。成年动物的脑还必须处理更多的信息和行为。

该地图是在 10 月 2 日发表在《自然》杂志上的两篇论文中描述的。它是来自全球 76 个机构的 287 名研究人员组成的团队合作的成果，使用了超过 100 TB 的数据。

合著者菲利普·施莱格尔 (Phillip Schlegel)、斯文·多肯瓦尔德 (Sven Dorkenwald)、塞巴斯蒂安·承 (Sebastian Seung)、格雷戈里·杰弗里斯 (Gregory Jeffris)、戴维·博克 (Davi Bock) 和马拉·穆尔蒂 (Mala Murthy) 向《大众科学》讲述了这一具有里程碑意义的成就。

显然，在尺寸上存在巨大差异，而且苍蝇的大脑包括我们没有的蘑菇体等结构——但在神经元如何连接以及“线路”如何形成的层面上，果蝇的大脑与我们的大脑有多相似？

Philipp Schlegel：在神经元与神经元连接层面，我们的大脑和昆虫的大脑极其相似，这就是为什么果蝇是研究大脑如何运作的绝佳模型系统。话虽如此，它们之间当然也存在一些差异，我经常发现自己对差异比相似更感兴趣。

Sebastian Seung：蘑菇体就是一个很好的例子。确实，这种嗅觉结构并不存在于我们的大脑中。然而，我们的梨状皮层被认为在连通性方面与昆虫的蘑菇体类似。（这种类比可以扩展到嗅觉系统的其余部分。）由于苍蝇和人类的基因组相似，我们早就知道苍蝇和人类的大脑在分子水平上一定有相似之处。我们一直没有意识到在电路层面上也有相似之处，这是通过检查连接模式发现的。

[一个问题是] 苍蝇和人类的进化祖先如此古老，为什么会有电路相似之处。也许相似之处是由趋同进化产生的。在分子水平上，昆虫和人类的嗅觉系统似乎非常不同；嗅觉受体的基因不同。但这些电路可能最终变得相似，因为它们必须解决相同的计算问题。

视频：果蝇大脑中所有约 14 万个神经元的 3D 渲染。来源：数据来源：FlyWire.ai；渲染者：Philipp Schlegel（剑桥大学/MRC LMB）。

Davi Bock：果蝇和人类的大脑中都有大量神经元网络以某种方式结合在一起来处理信息、驱动行为以及存储和回忆记忆。在这两种大脑中，神经元都会激发动作电位、使用常见的神经递质等。这两种大脑都具有大量循环连接的特征；并且这两种大脑都显示出有趣的网络结构特征，我们非常希望更详细地了解这些特征。

因此，尽管存在差异，但如何组织大型神经元网络来处理、存储和回忆信息这一核心问题几乎不可避免地会在各个物种之间具有共同的基础。解决这个问题是一个难题，成年苍蝇在信息处理和行为能力方面似乎介于“比人类简单得多”和“仍然非常有趣”之间。

如果存在“典型”神经元，那么苍蝇大脑中的典型神经元与人类的神经元相比如何？它们的大小一样吗？它们的树突和突触末端数量相似吗？它们形成的连接数量相似吗？

PS：定义一个“典型”神经元并非易事，从我们在苍蝇相对较小的大脑中发现的细胞类型数量（超过 8,000 种）可以看出。例如，在苍蝇的视觉系统中，神经元平均“长”约 0.6 毫米（即所有神经元分支的总长度），有大约 270 个输入和 500 个输出。Greg 已经在下面提到了这一点，但说哺乳动物神经元比苍蝇神经元大 10 倍左右可能与事实相差不远。

在哺乳动物的大脑中，单个突触通常是一对一的，即它们在两个神经元之间形成连接。相比之下，昆虫的突触通常是一对多的（“多突触”），这意味着它们连接多个不同的神经元。为什么会这样还不得而知，但也许这与昆虫的大脑试图将尽可能多的连接（以及计算能力）塞进一个非常小的大脑有关。

SS：人类的神经元通常要大得多。人类的神经元可以从大脑的一侧延伸到另一侧，或者在大脑和脊髓之间延伸。长颈鹿或鲸鱼的神经元可能更大。

苍蝇的神经化学与人类的相比如何？我们在苍蝇的大脑中观察到的神经递质是否与人类大脑中观察到的一样？还是只有其中一部分？它们在苍蝇的大脑中发挥着相同的作用吗？苍蝇的大脑中是否存在人类大脑中未观察到的神经递质？

PS：苍蝇使用与我们相同的神经递质（多巴胺、GABA、乙酰胆碱等）。

SS：主要的神经递质是相同的，但它们的作用方式有所不同。例如，谷氨酸在我们的大脑中主要是兴奋性的，但在苍蝇的大脑中通常是抑制性的。不过也有相似之处。例如，多巴胺似乎对苍蝇和人类大脑的“奖励学习”都很重要。

最终，我们看到的大脑是否与人类大脑的工作方式基本相似，但体积更小，更容易绘制？还是存在显著差异？

SS：这是一个半满还是半空的问题。它们之间既有相似之处，也有不同之处。我们现在知道，苍蝇的嗅觉、视觉和导航回路与哺乳动物具有相同功能的回路在结构上相似。我的意思是，这些回路中存在类似的连接模式，就像在不同建筑物中可以找到类似的建筑模式一样。

苍蝇连接组正在帮助神经科学家首次真正深入地了解大脑的功能。目前，我们真正理解的任何大脑都有助于我们理解所有大脑。

为什么这种果蝇物种受到如此深入的研究？它为什么如此引人注目？

SS：果蝇作为生物学的模型生物已有超过一个世纪的历史，因此自然也受到了神经科学家的青睐。话虽如此，其他昆虫物种的连接组也即将问世：蚂蚁、蚊子、蜜蜂等。比较这些连接组并与昆虫行为的丰富多样性联系起来将是一个令人兴奋且有趣的研究领域。

Mala Murthy：苍蝇是神经科学的重要模型系统，因为它们的大脑解决了许多与我们相同的问题，而且它们能够做出复杂的行为，如行走和飞行、学习和记忆行为、导航、进食，甚至社交互动。我的实验室研究大脑如何调节社交交流，我们发现苍蝇不断使用来自社交伙伴的反馈线索（如视觉和声音）来决定在每个时刻采取什么行动——它们甚至可以在不同的环境中做出不同的选择。这种复杂的行为涉及大脑的大部分，需要绘制大脑中所有连接的完整图谱来解决它。

论文讨论了“雪花”的概念，以及任何单个大脑在多大程度上可以代表一个物种的问题。这里的问题是，虽然大脑的结构（用电子比喻来说，是“电路”）在不同物种中是相似的，但该结构内的实际连接（“线路”）可能不同？例如，神经元 x 和神经元 y 可以在两个大脑中物理连接，但在一个大脑中，连接可能处于非活动状态，而在另一个大脑中，连接可能处于活动状态？

PS：这是一个有趣的问题。在连接组学中，我们倾向于认为，当两个神经元之间的连接由许多单个突触组成时，这种连接就是“强”的。根据我们对 FlyWire 数据集和之前的部分脑图的比较，强连接几乎总是存在于两个大脑中。您（事实上还有许多其他神经科学家）现在理所当然地要问，连接的“结构”强度是否必然转化为“功能”强度。

简短的回答是：很有可能。稍微长一点的回答是：我们还不确定，但据我所知，过去生理和行为研究报告的功能连接在连接组中也具有结构上的强健性。话虽如此，但这仍然是神经科学界未来几年必须解决的一个大问题。

这就引发了一个问题：是否“连接”也具有一定的普遍性，即是否存在一些始终连接或“硬连线”的神经元。

MM：大脑组织确实有相似之处，了解这些与功能的关系将会很有趣。

果蝇大脑有大约 10^5 个神经元，小鼠大脑有大约 10^8 个神经元。神经元之间的连接数量与神经元数量相比如何？小鼠大脑的神经元连接数量是果蝇大脑的 1000 倍还是更多？

Gregory Jeffris：实际上，每个神经元的突触数量可能相差不超过 10 倍，部分原因可能是苍蝇突触比哺乳动物突触小，而且是因为它们具有 [多聚体特性]。苍蝇连接组中强伙伴神经元之间可能还有更多单个突触（两个神经元之间的冠军连接有数千个单个突触）。

最后，您能否稍微谈谈拥有如此详细的苍蝇大脑图谱将如何有助于进一步的研究？

PS：是的，绝对如此。这张大脑图谱为未来的实验连接组建立了一个基准，可供其进行比较。例如，我们可以训练一只苍蝇不喜欢一种本来对它有吸引力的气味，然后生成这只苍蝇的大脑图谱，并将其与 FlyWire 进行比较，看看电路层面上发生了什么变化。虽然 EEG 不适用于苍蝇（太小），但将连接组与其他模式（如钙成像或电生理记录）叠加是许多研究小组正在积极研究的事情。